本文介绍了一种名为cocem3D的方法,该方法通过整合共聚焦显微镜与连续块面扫描电子显微镜技术,揭示特定细胞在其原生组织中的超微结构。
方法文章
本文介绍了一种名为cocem3D的方法,该方法通过整合共聚焦显微镜与连续块面扫描电子显微镜技术,揭示特定细胞在其原生组织中的超微结构。
明确细胞的超微结构对于理解其功能至关重要。对于分散在由多种细胞类型构成的组织中的稀有细胞类型(例如肠上皮中的肠内分泌细胞),这一研究项目可能极具挑战性。这些感知胃肠道内食物和细菌的细胞难以研究,因其以1:1,000的比例弥散分布于其他上皮细胞之间。近年来,已开发出转基因报告小鼠,可通过荧光标记识别肠内分泌细胞,其中一种为肽YY-GFP小鼠。利用该小鼠模型,我们建立了一种关联共聚焦显微镜与连续块面扫描电镜成像的方法,命名为cocem3D,并将其应用于在组织中识别特定的肠内分泌细胞,进而以三维形式揭示其超微结构。cocem3D的分辨率足以识别小至分泌囊泡的细胞器,并可区分细胞膜以实现三维体积重建。该方法可轻松拓展,用于研究其他特定细胞类型在其原生组织中的三维超微结构。
细胞内的生命活动在时间和空间中进行。随时间发生的变化通常通过延时显微镜结合荧光成像技术(如超分辨率显微镜)进行研究。而空间信息,特别是细胞内细胞器的排列方式或细胞间的相互作用,只能通过全面解析细胞的精细结构来获得。当基因组信息可获取时,对细胞精细结构的系统性描述还有助于阐明基因组功能,例如在 秀丽隐杆线虫 线虫1 或扁平的丝盘虫(Tricoplax adherens)2连续切片电子显微镜技术如今已成为一种可重复、高效且成本较低的研究方法,这得益于自动化的三维电子显微镜技术的发展,例如连续块面扫描电子显微镜(serial block-face scanning electron microscopy)。3 (SBEM)。
在某些细胞类型中,功能依赖于细胞间的物理相互作用(例如神经元、胶质细胞或感觉上皮细胞),因此获取结构信息以阐明其功能显得尤为重要。我们尤其关注肠道腔内营养物质产生的感觉信号如何被转导为电信号,进而调控摄食相关行为的机制。该神经回路较为复杂,起始于肠壁,在此处营养物质与感觉上皮细胞(称为肠内分泌细胞)接触。与其他类型的感觉上皮细胞(如味觉细胞)不同,肠内分泌细胞以大约一千个上皮细胞中有一个的比例弥散分布于整个肠道上皮中4-7。因此,长期以来这些细胞难以被识别和研究,仅被视为肠道激素的来源。然而,随着细胞特异性荧光报告小鼠模型的发展,这些细胞复杂的感觉功能逐渐被揭示。利用其中一种报告小鼠——肽酪氨酸-绿色荧光蛋白(Pyy-GFP, PyyGFP)小鼠,我们发现肠内分泌细胞具有一条显著的细胞质突起,将其命名为“神经足”(neuropod)。神经足的形态提示其可能在细胞间通讯中具有保守的功能。因此,我们推断,通过记录肠内分泌细胞的超微结构,可进一步推导出神经足的功能。
为了理解难以识别的分散细胞中附属结构的形态,有必要开发一种将共聚焦显微镜与扫描块面电子显微镜(SBEM)相结合的方法。通过使用PyyGFP肠内分泌细胞特异性报告小鼠,我们鉴定了目标细胞。该方法使我们能够完整记录肠内分泌细胞及其神经足的全部超微结构。在神经足内部,我们发现了类似神经元轴突的结构特征;而在神经足外部,则观察到其与肠胶质细胞之间存在物理联系8。事实上,神经足包含了约70%的全部分泌囊泡,提示其在这些细胞的分泌功能中具有关键作用。基于这些结构数据,我们近期进一步发现,肠内分泌细胞通过神经足与支配肠道的神经元形成了一种神经上皮回路,类似于舌部味觉细胞所构成的回路8,9。
揭示胃肠化学感受机制的这些特征源于使用该相关显微技术所获得的结构数据。我们认为,该方法在细胞生物学的其他领域也可能具有应用价值,特别是在细胞在组织中以极低比例分散的情况下。我们将该方法称为三维共聚焦与连续块面扫描电镜相关显微技术(Cocem3D)。该方法主要包括以下步骤:组织解剖、共聚焦显微镜观察、SBEM成像、SBEM与共聚焦图像关联以及人工分割。与其他相关显微方法相比,该方法的概念较为简单,因为其关联方式是基于物理位置而非化学标记。
所有动物护理和实验均按照杜克大学机构动物护理和使用委员会批准的方案进行。
Cocem3D 源于先前发表的多种实验方案10,11 的结合,并在此研究中应用于利用 PyyGFP 报告小鼠12 分析特定的肠内分泌细胞。该方法可便捷地推广至其他感兴趣细胞的研究,只需使用 commercially available 转基因报告小鼠即可。本方法分为三个部分进行描述:共聚焦显微镜相关分析、连续块面扫描电子显微镜(SBEM)以及三维数据重建。
相关共聚焦显微镜技术
本部分的目的是从远端结肠获取一段组织样本,其尺寸需满足进行共聚焦显微镜与扫描块面电子显微镜(SBEM)关联成像的要求。具体方案如下:
1. 组织的采集
2. 解剖并固定组织片段
3. 微解剖组织块
4. 共聚焦成像
5. 在琼脂糖中包埋组织块
连续块面扫描电子显微镜技术(SBEM)
本节中,先对组织块进行制备,并以低倍率进行扫描电镜-块面成像(SBEM)。随后将组织块表面的概览图像与共聚焦数据进行关联,以确定含有目标细胞的区域。一旦确定该区域,即以7 nm/像素的分辨率和70 nm的切片厚度对组织进行成像。该分辨率足以分辨并区分致密核心分泌囊泡与其他细胞器。在肠内分泌细胞中,此类囊泡的直径介于100至150 nm之间13。具体步骤如下:
6. 组织切片染色
7. 组织切片的浸润与树脂包埋
8. 成像用组织块的包埋与修块
9. 扫描电镜块面成像(SBEM)
10. 优化SBEM图像以进行表面分割
三维数据渲染
11. 共聚焦显微镜
12. 连续块面扫描电镜
注意:手动数据分割是一项非常耗时的流程,根据需要呈现的特征不同,该过程可能需要数周时间。本文中所示视频和图像的分割工作由 Bohórquez 完成 等 20148 手动完成,耗时约500小时。建议在开始分割之前,优先确定需要渲染的关键特征。操作步骤如下:
本文所述方法用于研究上皮层中特定细胞的超微结构。此处关注的细胞为难以识别的肠内分泌细胞。其鉴定 原位 只有在最近几年,随着细胞特异性荧光报告小鼠的发展,这一目标才得以实现。2011年,我们构建了一种小鼠模型,其中激素PYY的启动子驱动绿色荧光蛋白的表达17在该PyyGFP小鼠中,小肠远端和结肠的肠内分泌细胞在紫外光下易于辨识。该小鼠模型为识别包含肠内分泌细胞的组织块并对其进行SBEM处理奠定了基础。此处所述的相关方法称为cocem3D,是在先前已发表的方案基础上建立的。10,11.
优化组织块的尺寸对于相关性研究至关重要。在初步实验中确定,当组织块尺寸为长 300 µm × 厚 50 µm 时,可在覆盖目标细胞完整胞体的同时,将 SBEM 成像数量降至最低。图 1A 展示了使用振动刀切片机进行解剖以获得合适尺寸组织块的概览图。在筛选出含有完整目标细胞的组织块之前,至少需获取 100 个组织块。选出的组织块通过共聚焦显微镜成像,图像 z 轴堆栈的光学间距为每 1 µm 一层(图 1B 和 图 1C)。图 1D 展示了小鼠回肠中一个肠内分泌细胞的三维重建图像。该细胞显著的神经足突在上皮细胞下方延伸约 60 µm。
通过将共聚焦z轴层扫图像与整个块面的SBEM图像进行关联,可定位目标细胞。此处展示的是来自PyyGFP小鼠远端结肠的一个样本块的示例。在获取共聚焦z轴层扫图像后(图2A),将组织块包埋于一层薄薄的低熔点琼脂糖中(图2B)。这对于后续对样本块的操作是必要的。保持样本块尽可能平直的方位至关重要,以便将光学切片与SBEM切片相匹配。在 图2C,显示了组织块整个切面的代表性图像。该图的部分内容先前已发表于 Bohorquez 等, 20148随后通过考虑组织标志物和尺寸,将其与共聚焦图像进行关联。 图2D 显示了样品块的共聚焦图像与扫描块面电子显微镜(SBEM)图像的叠加,揭示了我们所关注细胞的精确位置。
确定细胞后,需以足够高的分辨率进行SBEM成像,以便识别分泌囊泡及其他细胞器。本研究所呈现的数据集在每像素7 nm的分辨率下成像,每切削70 nm采集一次块面图像。该数据集共包含643幅图像,覆盖组织深度达45 µm。在低倍率下对整个块面进行初始成像时,会削去数微米的表面层。原始SBEM数据集以.dm3格式采集,并转换为.tiff格式以便后续处理。使用Fiji软件的“crop (3D)”插件对SBEM图像序列进行裁剪,仅保留感兴趣区域,从而减少体积渲染所需的RAM内存。通过细胞位置及分泌囊泡特征识别目标细胞,并使用Imaris软件进行分割。图3展示了肠内分泌细胞的三维重建图像。

图1:相关共聚焦显微镜技术。(A)将一段肠道组织解剖成尺寸为300 × 50 µm厚的组织块的工作流程。(B)一个具有合适尺寸的代表性组织块。请注意,从小鼠小肠获取的该尺寸组织块大约跨越3个绒毛,而在结肠中则大约覆盖8个隐窝。(C)小肠中的一个绒毛,其中包含一个目标细胞。(D)使用Imaris软件将共聚焦z轴层扫数据重建为三维图像,显示了一个具有显著神经足突(neuropod)的肠内分泌细胞,该足突位于肠上皮下方。蓝色 = DAPI细胞核染色。标尺 = 10 µm。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:连续块面扫描电子显微镜。(A)结肠中含PyyGFP肠内分泌细胞(绿色)的目标组织块的共聚焦图像。(B)组织块经共聚焦显微镜成像后,使用载玻片将其平整包埋于低熔点琼脂糖中。将组织块包埋于琼脂糖中有利于后续操作,左侧角上的切口有助于将组织块以正确方向安装至SBEM中。(C)组织块表面的SBEM图像。(D)共聚焦数据与SBEM图像的关联,用于识别目标细胞(白色箭头)。本图中c和d的图像经修改自Bohorquez et al., 20148。蓝色 = DAPI细胞核染色。标尺 = 10 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:三维数据渲染。(A)使用Imaris软件对肠内分泌细胞进行的体渲染。该细胞包含一个富含分泌囊泡的神经足。有关肠内分泌细胞超微结构的完整描述,请参见Bohórquez et al., 20148。请点击此处查看此图的放大版本。
胃肠道化学感应正成为生物医学研究中一个令人振奋的新领域。这在很大程度上得益于在肠内分泌细胞中发现了功能性味觉受体18。后续研究表明,肠内分泌细胞表达针对营养物质的特异性受体,包括碳水化合物、脂质和氨基酸5,6,19,20。推动这些发现的关键是报告基因小鼠模型的开发,其中肠内分泌细胞被荧光标记20。我们开发了其中一种小鼠模型——PyyGFP 小鼠,用于研究远端小肠和结肠的肠内分泌细胞17,21。这些细胞备受关注,因为它们分泌PYY和胰高血糖素样肽1,二者均为饱腹感的诱导因子22,23。当时,这些细胞完整的超微结构描述尚属空白,而我们认为这对于理解其信号传导机制至关重要。
本文介绍了一种直观的可视化方法,用于将共聚焦显微镜与扫描块面电子显微镜(SBEM)相结合。该方法被称为 Cocem3D,使我们能够完整记录肠内分泌细胞的超微结构。我们已报道,这些细胞具有一个神经足样突起(neuropod),其中包含了四分之三以上的全部分泌囊泡8。在神经足样突起内部存在神经丝结构,并且与神经元轴突类似,神经足样突起由肠胶质细胞提供营养支持8。更重要的是,肠内分泌细胞正是通过这些神经足样突起,与支配肠道和结肠的神经元建立直接的物理连接9。
cocem3D 的优势之一在于其简便性。将组织样本简化为可由共聚焦显微镜和扫描块面电子显微镜(SBEM)成像的组织块,有助于在组织中识别特定细胞。在 7 nm/像素的分辨率下,可轻松识别分泌囊泡及其他细胞器。由于 SBEM 中的切片会被丢弃,因此目前无法对组织进行进一步处理以鉴定特定蛋白质。然而,随着 ATUM24 等技术的发展,组织块的切片得以保存,未来有望实现对细胞内特定蛋白质的鉴定。确定肠内分泌细胞上化学感受受体的具体位置,对于开发治疗肥胖的药物疗法至关重要,因为肠内分泌细胞是肠道内食物信号与大脑饱腹感之间的感觉界面。
Satish Medicetty 博士是 Renovo Neural 公司的雇员,并从该公司获得100%的薪酬;但此情况并不影响作者遵守 JoVE 关于数据和材料共享的政策。其余作者声明无利益冲突。
我们向以下人员表示诚挚的感谢:杜克大学光学显微镜核心设施的 Sam Johnson 博士和 Benjamin Carlson 博士,感谢他们在数据可视化软件方面的协助;北卡罗来纳州立大学电子显微镜中心的 Valerie Lapham 女士和 John M. Mackenzie, Jr. 博士,感谢他们在电子显微镜技术方面的建议。我们感谢 Elaine B. Bohórquez 博士在编辑方面提供的帮助。作者贡献如下:DVB、SM 和 RAL 设计实验并分析数据;DVB 开展实验,FH 进行数据的手动渲染;SM 是 Renovo Neural 的负责人,SBEM 数据在此机构获得;DVB 撰写初稿,所有作者共同审阅并修改了最终稿件。本研究得到了美国国立卫生研究院资助 R01DK091946 和退伍军人事务部资助 I01BX002230(授予 RAL),以及 F32DK094704(授予 DVB)的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 磷酸盐缓冲液 | Life technologies | 10010023 | |
| 肝素钠盐 | Sigma | H4784 | |
| 多聚甲醛 | Sigma | 158127 | 4%,新鲜配制于PBS中,终pH值为7.4 |
| 戊二醛 | Sigma | G5882 | |
| 牙科蜡 | Electron Microscopy Sciences | 72660 | |
| 低熔点琼脂糖 | Life technologies | 16520-100 | 5%,新鲜配制于PBS中 |
| 标准Tissue-Tek冷冻模具 | Electron Microscopy Sciences | 62534-25 | |
| DAPI 核染色剂 | Life technologies | D1306 | |
| 带正电荷的玻片和盖玻片 | |||
| 细画笔#1 | |||
| 卡考基酸缓冲液 | Electron Microscopy Sciences | 11650 | |
| 单宁酸 | Electron Microscopy Sciences | 21700 | |
| EMbed 812试剂盒 | Electron Microscopy Sciences | 14120 | |
| 液体脱模剂 | Electron Microscopy Sciences | 70880 | |
| 液体银胶体 | Electron Microscopy Sciences | 12630 | |
| CircuitWorks导电环氧树脂 | ITW Chemtronics | CW2400 | |
| 可调流速蠕动泵 | VWR | 70730-064 | |
| VT1200S振动切片机 | Leica | ||
| 蔡司780i共聚焦显微镜 | Carl Zeiss | ||
| Sigma VP扫描电子显微镜 | Carl Zeiss | ||
| 3view系统 | Gatan | ||
| Renovo Neural Inc(俄亥俄州克利夫兰) | http://www.renovoneural.com | Renovo提供三维电镜服务 | |
| Fiji软件 | 开源软件 | ||
| 配备16 GB或更高内存的计算机工作站 | |||
| 数据可视化软件Imaris 7.5 | Bitplane |
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