RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
zh_CN
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Irene U. Wacker1,2, Lisa Veith3, Waldemar Spomer2,4, Andreas Hofmann2,4, Marlene Thaler5, Stefan Hillmer6, Ulrich Gengenbach2,4, Rasmus R. Schröder1,2,3
1Cryo Electron Microscopy, Centre for Advanced Materials,Universität Heidelberg, 2Heidelberg Karlsruhe Research Partnership (HEiKA), 3Cryo Electron Microscopy, BioQuant,Universitätsklinikum Heidelberg, 4Institute for Automation and Applied Computer Science,Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 5Carl Zeiss Microscopy GmbH, 6Electron Microscopy Core Facility,Universität Heidelberg
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
本协议以扫描电镜 (SEM) 为目标, 以纳米尺度分辨率成像组织中的特定细胞为靶点。从树脂嵌入的生物材料中, 大量的系列部分首先在光学显微镜中被成像, 以识别目标, 然后以分层的方式在 SEM 中。
通过使用光和电子显微术的分级成像, 可以实现在混合细胞群或组织内超微结构分辨率的特定细胞的靶向。嵌入在树脂中的样品被切片成由数以百计的超薄切片的丝带组成的阵列, 并沉积在硅片或 conductively 涂层盖玻片上。阵列被成像低分辨率使用数字消费者, 如智能手机相机或光学显微镜 (LM) 快速大面积概述, 或广泛的领域荧光显微镜 (荧光显微镜 (FLM)) 后, 标签与显影。经过重金属染色后, 阵列在扫描电子显微镜 (SEM) 中成像。如果没有荧光标记, 则可以从 FLM 生成的3D 重建或从扫描电镜图像栈中的3D 重建中选择目标。对于超微结构分析, 在高分辨率的扫描电镜中最终记录了选定的目标 (一些纳米图像像素)。可以对任何 ultramicrotome 进行改装的功能区处理工具。它有助于与阵列生产和基板去除从切片刀船。本文讨论了一种允许在 SEM 中自动成像阵列的软件平台。与其他产生大体积 EM 数据的方法相比, 如串行块面扫描电镜 (SBF sem) 或聚焦离子束扫描电镜 (sem), 这种方法有两大优点: (1) 树脂嵌入样品保存, 尽管切片版本。它可以用不同的方式染色, 并以不同的分辨率进行成像。(2) 由于切片可以被染色后, 没有必要使用强块状的样品与重金属进行对比, 以介绍 SEM 成像或使组织块导电。这使得该方法适用于各种材料和生物问题。特别是前缀材料例如, 从活检银行和病理实验室, 可以直接嵌入和重建3D。
在超微结构下重建大体积组织的研究已使用了许多基于 SEM 的不同成像方法1: 可使用的全面评论e. g., SBF-sem2, 谎言-sem3, 和阵列层析成像 (AT)4。而对于后一种方法, 样品材料被保留为一系列的序列部分在基板上, SBF 扫描电镜和表面扫描电镜是破坏性的方法, 工作在样品块和消耗它在成像过程中。由于在 SEM 中的树脂充电, 它们也依赖于强金属样本块5。
另一方面, 在组织样本中识别某些细胞或结构可能会从相关的光和电子显微镜 (克莱)6,7,8中获利。使用 FLM 的目标, 排除了大量重金属的应用, 因为这将淬火荧光信号9。对于这样只稍微金属的样品, 在是选择的方法, 因为阵列可能很容易后染重金属后, LM 成像。此外, 几乎任何样本类型可以用于, 甚至例行样本从病理学家的宝箱10。
另一个很大的优点是分层11或多分辨率成像12的潜力: 没有必要在高分辨率下映像所有内容, 因为可以在不同的模式 (例如、FLM) 中选择目标, 或者在低分辨率 SEM 图像。只对高分辨率的组织或细胞群感兴趣的区域进行成像, 可以节省数字数据存储空间, 并生成较小的图像数据集, 更易于处理。在这里, 在工作流演示使用一个相当弱的金属样品: 高压冷冻植物根 (拟南芥) 嵌入亲水性树脂。
如何在 FLM 和 SEM 中对阵列进行准备、染色和成像, 以及如何注册图像栈。此外, FLM 体积的3D 重建如何可以用来选择特定的细胞, 在扫描电镜的纳米分辨率。
注: 样品块应聚合, 并含有一些重金属。图 1A-b中显示的两个示例的固定和嵌入协议已在其他地方11中描述。简而言之,图 1A中显示的示例是化学固定的, 染色的en 集团首先带有 1% OsO4, 然后是1% 个醋酸铀, 并嵌入在 Spurr 的树脂中。图 1B中显示的示例是高压冷冻, 用丙酮中的0.4% 个醋酸铀代替冷冻, 并嵌入 Lowicryl HM20 树脂中。使用无粉手套的下一步准备步骤。
1. 创建阵列
2. LM 成像染色
注意: 可能有不同的染色/贴标方法, 包括免疫荧光协议。这里有一个直接的, 而非特异的污点被选择勾勒出细胞壁。
3. 在 FLM 中记录图像栈
4. FLM 图像栈的注册
5. 扫描电镜成像的染色和安装
注: 为准备染色溶液, 请参阅材料表。解决方案可存储在摄氏4摄氏度, 长达12月, 免受光线和空气的保护。
注意: 柠檬酸铅和醋酸铀含有有毒的重金属。根据当地当局的指示, 戴上手套, 处理废弃物。
6. 扫描电镜中的分层成像
注: 在场发射扫描电镜中, 选择低主能量 (3 伏或更低), 从50到 800 pA 范围内的光束电流, 以避免充电, 以及适当的工作距离, 以有效地收集二次和/或后分散的电子。光束电流的选择取决于样品的性质 (e. g, 嵌入树脂);电子剂量也将是一个折中之间的小电流 (对样品有害) 和高电流, 这有利于成像速度, 从而降低总的图像采集时间。用于反散射电子的专用探测器提供了良好的对比度, 对样品的充电不太敏感, 并且显示了样品的表面工件 (褶皱、刀痕) 的较少。应调整对比度和亮度, 使直方图居中。
7. 扫描电镜图像栈的注册
此处描述的工作流 (图 1) 以嵌入在树脂块中的样本开始。在样品制备过程中, 应将一些重金属引入到组织中, 但没有必要使用对相当强金属化进行优化的协议。图 1A显示了一个植物根 (水芹) 块, 它通常与 1% OsO4和1% 个醋酸铀一起染色, 而 图 1B中的金属只使用0.5% 个醋酸铀。后一种样品类型是最适合的相关方法, 因为一些重金属趋于猝灭荧光。使用专用衬底支架 (图 2), 可以生成几个百节的数组 (图 1C)。荧光标记后, 此类阵列在标准的宽域 FLM (图 1D) 中进行成像, 然后用重金属溶液染色, 并在不同分辨率 (图 1E-G) 的 SEM 中成像。
阵列的可重现生成的重要工具, 特别是在将几个丝带从切片的刀船放到基板上时, 是基板持有者 (图 2A, 在作者的实验室中定制设计) 和巨型金刚石一条足以容纳显微镜幻灯片的小船的刀 (图 2B)。一个扁平的半月板, 允许良好的观察丝带, 是必要的, 可以通过等离子清洗的基板: 一小滴蒸馏水不应该形成一个透镜状结构在基板上, 如在图 2C (未经处理的基底),但薄膜 (图 2D, 等离子活化基板)。在这些条件下, 附着在 ITO 涂层盖玻片干燥部分的丝带很容易被可视化(图 2E), 并且可以在从水中的基体的升力中观察和控制。
例如, 用碘碘化物染色的阵列标记植物细胞壁, 用标准宽字段 FLM (图 3A) 进行成像。因为这些部分只有 100 nm 厚, 甚至在这里显示的过度染色介绍很少模糊。注册后, 从图像堆栈 (图 3B) 中选择完全包含在重建卷中的两个单元格, 以便在3D 中进行高分辨率成像 (请参见补充影片 S1)。随着醋酸铀和柠檬酸铅的进一步染色, 这些阵列被成像在 SEM 中.图 3C显示了一个概述, 记录了 60 nm 图像像素;图像中心的暗正方形表示自动对焦功能执行的位置, 附加剂量导致轻微污染。在这些串行部分中适当的 ROIs (总计51到248个切片), 其中包含在 FLM 堆栈中选择的两个目标单元格, 然后记录了 5 nm 图像像素大小 (图 3D; 请参见补充影片 S2)。
本文介绍的扫描电镜中的阵列自动分层成像是用软件/硬件平台解决方案蔡司地图集5完成的。首先, 使用 SE 检测器创建了整个阵列的概览, 具有非常大 (1000 nm) 图像像素和非常低的驻留时间 (图 4A)。仅列出组织的 ROI 被放在第一节上, 并传播到数组的所有其他部分。然后, 使用更长的驻留时间 (图 4B) 将此节集记录为 60 nm 图像像素。最后, 设置了一个站点集, 其中包含两个目标单元格加上一个 "层" 的周围单元格来计算舞台的不精确性, 并建立了以下参数: ESB (能量选择性反向散射) 探测器, 5 nm 图像像素, 非常长 (40 µs) 驻留时间 (图 4C)。放大到这样的图像显示亚细胞的细节 (图 4D), 如空泡 (V), 线粒体 (M), 核 (N) 和内质网 (箭头)。另请参阅补充影片 S3 , 从整个数组的概览到一个目标单元格的亚细胞细节。
这里显示的阵列 (200 节) 加上另外250节中的一个, 花了大约8小时来制作, 一晚为 LM 着色, 一天在 FLM 记录 (手动)。染后染色的总数约为1-2 小时, 具体取决于单个阵列的数量。对于 SEM 记录, 设置 Atlas 运行需要几个小时, 自动记录为中间分辨率 (60 nm 像素大小) 部分集 (200 节、450 x 200 µm2) 和大约5天的高分辨率 (5 nm 像素大小) ROI 3–4 h包含两个目标单元格 (200 个部分, 55 x 30 µm2)。请注意, 由于这里所示样品的金属含量很低, 必须使用非常慢的扫描速度来达到良好的信号噪声检测, 这意味着 (对于当前可用的探测器) 40 µs 的驻留时间用于高分辨率 ROI。
整个工作流中有几个步骤容易出现陷阱: 理想的功能区应该或多或少是直的, 并按正确的顺序排列 (图 5A)。但是, 通常会产生弯曲 (图 5B)、弯曲 (图 5D) 甚至折断的色带。这可能是由于不正确的修剪 (前导和尾部边缘不完全平行), 或不均匀应用胶粘剂, 但也从不对称或不均匀渗透样品。特别麻烦的是含有软硬成分的样品。后面的组件可能很难渗入, 例如此处显示的植物根的细胞壁 (图 5C)。在这种情况下, 折叠 (箭头) 可以很容易地造成的变化压缩和松弛在切片。对于扫描电镜中的自动成像, 弯曲带不是一个很大的问题, 因为 ROIs 可以旋转, 以适应丝带的曲率。
协议中的另一个关键步骤是染色: 不充分的洗涤可能导致部分的残留 (图 5E, F), 在最坏的情况下, 覆盖最有趣的区域 (图 5F中的两个目标单元格之一上的圆圈)。另外, 将灰尘 (图 5D, 强光散射粒子) 引入到刀船中,例如, 带有肮脏的衬底载体, 会造成严重问题: 在 FLM 中, 灰尘可以是高度荧光的 (cf.补充影片中的一些切片S1) 到某种程度上, 某些注册算法无法正常工作。但是, TrakEM17中的 "对齐" 函数可以处理补充影片 S1中演示的这些堆栈。

图 1: 相关分层成像的工作流.从嵌入在树脂块 (a、强金属示例) 中的示例开始, 该示例首先修剪 (B, 弱金属示例), 然后由一系列串行部分 (C) 组成的阵列放置在ITO 涂层盖玻片, 是用 ultramicrotome 生产的。用荧光染料染色后, 在宽域 FLM (D) 中记录一堆图像。在用重金属盐进一步染色后, 堆栈在 SEM (EG) 中以不同分辨率 (图像像素大小) 进行成像。请单击此处查看此图的较大版本.

图 2: 用于准备数组的工具.从并联装配的衬底支架与标准 ultramicrotome (a) 相连的七轴运动: 螺钉, 用圆圈突出显示, 用于垂直 (1) 和水平 (2) 运动, 而对于衬底载体的倾斜 (3)。.巨型金刚石刀与一条特大的小船容纳大基体 (箭头), 这里与一块等离子激活的硅晶片安装到一个滑动大小的铝载体 (B)。20µL 滴蒸馏水放置在未经处理的硅片基底上 (C) 或等离子活化基底 (D) 上。四缎带漂浮在刀船, 附着在 ITO 涂层盖玻片由他们的低端。请单击此处查看此图的较大版本.

图 3: LM 数据与 SEM 数据的相关性.概述 (A、 C) 和目标单元格 (b、 d) 与 FLM (A、 B) 和 SEM (C、 d) 一起记录。(B) 是软件缩放, 原始数据在 1388 x 1040 像素相机芯片上记录了40X 物镜, 而 (C) 则记录了 60 nm 图像像素大小, (D) 与 5 nm 图像像素大小, 说明了真实在 SEM 中增加分辨率.请单击此处查看此图的较大版本.

图 4: 在 SEM 中使用蔡司地图集5的分层成像.使用 SE 检测器 (A) 记录有 1000 nm 图像像素的数组概述。节设置的 ROI 放置在每个部分的组织中, 并记录 60 nm 图像像素 (B)。在目标单元格上放置串行 ROI 并以 5 nm 图像像素 (C) 记录的站点集。当放大到这样高分辨率的图像 (D) 时, 胞内膜室, 如空泡 (V), 细胞核 (N), 线粒体 (M) 和内质网 (箭头) 变得可见。请单击此处查看此图的较大版本.

图 5: 典型问题.1. 从切片过程中产生: 放置在 ITO 涂层盖玻片上的丝带是理想的直(A), 但切片期间不规则的压缩可能会导致弯曲(B) 或曲线带(D), 甚至褶皱(C)。2. 在水中处理基材和丝带造成的,例如, 在切片和染色过程中: 基板上的光散射微粒 (D), 切片上的水滴的边缘 (在e中的圆圈), 或由于不足而涂抹在组织上的污垢。染色后洗涤 (F)。请单击此处查看此图的较大版本.
补充电影 S1: FLM 图像堆栈.435图像在斐济16中对齐, 使用 TrakEM17并另存为电影文件 (. avi)。请单击此处下载此文件.
补充电影 S2: SEM 图像堆栈.210在斐济16中对齐的图像使用 TrakEM17。此数据集的原始堆栈 (300 个图像) 为 15 GB。若要将堆栈从 3.3 GB 缩小 (在对齐和裁剪后仅为两个目标单元格), 则在 x 和 y 中用0.2 个因子 (使用斐济) 进行缩放, 然后另存为. avi 电影。请单击此处下载此文件.
补充影片 S3: 在 SEM 中使用不同的分辨率级别缩放.在. mp4 格式中创建并从 Atlas 5 软件导出的影片。请单击此处下载此文件.
套件已收到补偿的 Boeckeler 仪器供应的功能模型的基板持有人。玛琳·泰勒是蔡司显微学有限公司的员工, 本文所提到的显微镜系统的制造商。此外, 蔡司还提供了一些解决方案, 如蔡司阿特拉斯解决方案包, 用于广泛应用于大面积、3D 成像扫描电镜和颤电镜仪器。所有其他作者都没有什么可透露的。
本协议以扫描电镜 (SEM) 为目标, 以纳米尺度分辨率成像组织中的特定细胞为靶点。从树脂嵌入的生物材料中, 大量的系列部分首先在光学显微镜中被成像, 以识别目标, 然后以分层的方式在 SEM 中。
这项工作得到了德国联邦教育和研究部项目 MorphiQuant-3D 的赠款 FKZ 13GW0044 的支持。我们感谢 Carolin 巴特尔的技术支持。
| 仪器 | |||
| 超薄切片机 | RMC | PT-PC | 替代品:Leica UC7 |
| 基板支架 | RMC | ASH-100 | 替代品:自制 |
| 等离子清洗机 | Diener | Zepto 40kHz | 替代品:Ted Pella Pelco 或其他台式等离子清洗机 带 40kHz 发生器 (0-100W) 的 Diener Zepto 的示例参数;0.5 mbar,5 sccm(空气),10% 性能 |
| 宽视场荧光显微镜 | 蔡 | 司Axio Observer.Z1 | 替代品: 徕卡、尼康、奥林巴斯 |
| 荧光滤光片套装 | 蔡 | 司43 HE (Cy3/DsRed) | |
| 物镜 | 蔡 | 司蔡司 Neofluar 40x | 0.75 NA |
| 能够处理 GB 大小图像数据的 | 体面工作站 | ||
| FESEM | Zeiss Ultra | 55 | 替代品:FEI、Jeol、Hitachi、TESCAN |
| strong>名称 | Company | 目录号 | 评论 |
| <>切片 | |||
| 剃须刀片 | Plano | T585-V | |
| 用于修剪 45° | 硅藻土 | DTB45 | |
| 修边金刚石刀 90°; | 硅藻土 | DTB90 | |
| 用于切片的巨型金刚石刀 | 硅藻DUJ3530 | ||
| 硅晶片(片) | 硅材料 | 定制 | 掺杂:P/Bor,方向:<100>,厚度:525 &25 µm,电阻率:1-30 Ω-cm http://si-mat.com/silicon-wafers.html |
| ITO 涂层盖玻片 | 巴尔查斯 | Z 型 | 22 × 22 × 0.17 mm https://www.opticsbalzers.com/de/produkte/deckglas-fenster/corrslide.html |
| 铝制载体 | 定制 | 76 & 26 mm | |
| 晶圆镊子 | Ideal-tek | 34A.SA | |
| 存根镊子 | Dumont | 0103-2E1/2-PO-1 | Dumoxel-H 2E 1/2 |
| 钻石划线器 | Plano | T5448 | |
| 睫毛/非常柔软的猫毛 | 自制 | 替代品:Plano | |
| 刷 | 自制 | ||
| Pattex 接触胶 | Pattex | PCL3C | Kraftkleber Classic(淡黄色的) |
| Fixogum | 用于将基材固定到载体上的 | Marabu | 290110001 |
| 用于将 | 基材固定到载体 | 上的胶带3M | 851 |
| 异丙醇 | Bernd Kraft | 07029.4000 | |
| 二甲苯 | Carl Roth | 4436 | 稀释剂,用于胶水混合物 |
| Rotihistol | Carl Roth | 6640 | 替代品,柠檬烯基稀释剂 |
| 名称 | 公司 | 目录号 | 评论 |
| >软件 | |||
| 图像处理 | 开源 | 斐济(http://fiji.sc/#download) | |
| 图像采集 | 蔡司 | Atlas 5 AT (蔡司SEM模块) | 自动图像采集的替代方案:WaferMapper:https://software.rc.fas.harvard.edu/lichtman/LGN/WaferMapper.html |
| 名称 | Company | 目录号 | 评论 |
| 染色 | |||
| 碘化丙啶 | Sigma-Aldrich | P4170 | 储备溶液:1.5 mM 溶于 0.1% 叠氮化钠 |
| 乙酸铀酯 | 科学服务 | E22400 | |
| 硝酸铅 | Merck | 107398 | |
| 柠檬酸三钠二水合 | 物Merck | 106448 | |
| NaOH 沉淀 | Merck | 106469 | |
| 1M NaOH 溶液 | Bernd Kraft | 01030.3000 | |
| 玻璃培养皿 | 杜兰 | 23 755 56 | |
| 名称 | 公司 | <强>目录号 | 评论 |
| 安装 | |||
| 存根 | Plano | G301F | |
| 碳垫 | Plano | G3347 | |
| 铜胶带 | Plano | G3397 | 双面胶,导电 |
| 银漆 | Plano | G3692 | Acheson Elektrodag 1415M |
| 名称 | Company< | strong>目录号 | 评论 |
| 解决方案/混合物 | |||
| 用于涂层嵌块的胶粘剂混合物 | Pattex 接触胶粘剂/二甲苯作为稀释剂,比例为 1:3. (二甲苯替代品:Rotihistol) | ||
| 柠檬酸 | 铅 | 50 mL: 将 1.33 g 硝酸铅(II) 溶于 10 mL dH2O. 将 1.76 g 柠檬酸三钠二水合物溶于 10 ml dH2O. 混合物中两者均加入 1 M 氢氧化钠,直至溶液澄清。 将 dH2O 填充至 50 mL。 | |
| 碘化丙啶染色液 | 从 dH2O. 涡旋中制备 1:1500 稀释液,以便充分混合。 | ||
| 乙酸 | 铀酰水溶液 将 | 3% 乙酸铀酰溶解在 dH2O 中(充分混合)。 |