本实验方案展示了如何利用冷冻结构光照明显微镜对生物冷冻保存样品进行成像。我们通过成像U2OS细胞的细胞骨架来演示该方法。
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本实验方案展示了如何利用冷冻结构光照明显微镜对生物冷冻保存样品进行成像。我们通过成像U2OS细胞的细胞骨架来演示该方法。
三维结构光照明显微镜(3D-SIM)能够以高于传统荧光显微镜的分辨率对荧光标记的细胞结构进行成像。这种超分辨率(SR)技术可实现对完整细胞内分子过程的可视化,并有望与电子显微镜和X射线断层成像结合使用,以关联结构与功能信息。目前,用于低温保存样品的SIM显微镜(cryoSIM)已在英国同步辐射光源的关联低温成像光束线B24上完成部署并投入使用。
该技术专为在低温条件下对生物样品进行三维成像而设计,且与后续采用X射线显微技术(如冷冻软X射线断层成像)对同一样品进行成像的方法相兼容。本视频文章提供了使用冷冻SIM(cryoSIM)实现成功成像的详细方法与操作流程。除了包含冷冻SIM显微镜的操作说明外,还提供了关于样品选择、荧光染料以及参数设置方面的建议。本方案以U2OS细胞样品为例进行演示,其中线粒体和微管蛋白已通过荧光标记。
在过去十年中,超分辨率(SR)成像技术已广泛应用于生物学领域1。这些技术能够对荧光标记的样品进行超越衍射极限的高分辨率成像。然而,将超分辨率显微技术应用于低温样品一直存在挑战2。若能实现,将有利于与电子断层扫描或X射线断层扫描结合进行关联成像。最近,结构光照明显微技术(SIM)已被成功改造用于低温样品,并已在Diamond光源同步辐射装置的关联低温成像光束线B24上,与软X射线断层扫描(SXT)结合,实现了对生物细胞的关联研究(https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Biological-Cryo-Imaging/B24.html)3。SIM通过在三个角度和五个相位上使用条纹状光模式(莫尔条纹)照射样品,可将传统宽场显微镜的分辨率提高一倍。这些光模式与样品荧光之间的干涉可用于计算解析出有关亚衍射结构的额外信息4,5。
与其它超分辨(SR)技术相比,SIM 在低温应用中具有多项优势。首先,它无需专门设计的闪烁荧光染料,可使用常规荧光染料,从而可选择更广泛的荧光标记试剂6。此外,该方法每个 z 层仅需采集 15 幅图像(三维成像)或 9 幅图像(二维成像),而其他超分辨方法每层通常需要约 1000 幅图像,显著增加了样品受热的风险,进而可能导致冰晶形成并产生伪影。最后,该技术能够对厚度超过 10 µm 的生物样品进行成像,从而可在接近天然状态下观察完整细胞6。低温 SIM 系统采用标准光学元件构建,并使用开放获取的成像软件,便于记录和复制6。该低温 SIM 显微镜配备了一个数值孔径为 0.9 的 100 倍物镜(见材料表);其光学组件、设计参数及性能的更多详细信息已在 Phillips 等人的研究中描述6。本文方案将演示如何使用低温 SIM 显微镜,包括如何在低温载物台上装载和卸载样品、如何在显微镜上采集数据,以及如何重建 SIM 图像。
注意:本方案适用于含有在透射电子显微镜(TEM)3 mm 平面金网格(带有穿孔碳支持膜)上培养或沉积的细胞的样品,这些样品已通过浸入冷冻或高压冷冻实现玻璃化。本方案假设样品已使用常规落射荧光和明场显微镜进行成像,以定位在低温结构照明显微镜(cryoSIM)中成像的兴趣区域。整个方案的概览见图1。
1. 冷冻载台的准备
2. 将样本储存盒转移至冷冻载台
注意:在接触样本或样本室内的任何低温表面之前,先将样本储存盒、 holder 以及所有器械(例如镊子)的尖端浸入过滤后的液氮(LN2)中进行冷却。处理生物样本时应穿戴实验服和手套。
3. 载物台对接与聚焦
4. 明场图像拼接采集
5. 感兴趣区域的鉴定
6. 数据采集策略
7. 数据收集
8. 成像后处理
9. 重建
10. 色差校正
一个含有U2OS细胞的样品用绿色微管细胞骨架染料和红色线粒体染料的混合物进行染色,从而标记出细胞骨架中的微管成分(绿色)和线粒体(红色)。随后的成像显示了线粒体在细胞内的定位以及微管的排列情况,突出了微管为细胞提供的结构框架,以及细胞骨架在细胞核等细胞器周围组装的形态。冷冻SIM的分辨率显著高于标准落射荧光显微镜(图5)。图6展示了如何利用传统落射荧光显微镜获得的荧光“图谱”来定位感兴趣的成像区域,并显示了网格上某一位置对应的冷冻SIM重建图像。

图1:冷冻SIM成像方案各阶段的流程图。缩写:cryoSIM = 冷冻结构光照明显微镜。请点击此处查看此图的放大版本。

图2:冷冻载台。(A)冷冻载台装置。(B)由倒置镊子夹持的样品载网。(C)冷冻载台的组件。连接端口已标注,对应颜色分别为:橙色—电源,黄色—加热载台盖,蓝色—外部杜瓦瓶,绿色—连接至计算机。缩写:PC = 个人计算机;LN2 = 液氮。请点击此处查看此图的放大版本。

图 3:Cockpit 软件界面的各个视图。(A)主界面,(B)宏载台 XY 控制界面,(C)马赛克视图,(D)相机视图。缩写:SLM = 空间光调制器。请点击此处查看此图的放大版本。

图 4:Cockpit 软件面板视图。(A)Z 轴堆叠单点实验。(B)结构照明显微(SI)单点实验。(C)图像采集过程中使用的 Cockpit 软件键盘快捷键。(D)冷冻结构照明显微镜(cryoSIM)已安装于英国钻石光源同步辐射装置 B24 光束线现场。缩写:cryoSIM = 冷冻结构照明显微术。请点击此处查看此图的放大版本。

图5:冷冻结构光照明显微镜(cryoSIM)的分辨率。(A)待检测网格的拼接视图。(B)感兴趣区域(AOI)的明场图像。(C)伪宽场图像与其(D)SIM图像的对比,显示分辨率的提升。白色箭头指示SIM重建伪影。(E)调制对比度图,结合了重建图像的像素强度信息与SIMCheck2生成的原始数据中相应的调制对比度信噪比(MCNR)值的颜色信息。明亮和暗淡区域分别表示高对比度和低对比度。比例尺 = 10 µm。冷冻结构光照明显微镜成像参数:激发/发射波长:488/525 nm,激光功率50 mW,曝光时间50 ms;以及647/655 nm,激光功率20 mW,曝光时间5 ms。缩写:cryoSIM = Cryo-structured illumination microscopy(冷冻结构光照明显微镜)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6:从常规落射荧光图中网格上某一位置的荧光图谱进行冷冻结构光照明显微镜(cryoSIM)图像重建。(A,B)使用常规落射荧光显微镜生成的明场与荧光图像图谱的叠加图。该图谱用于定位感兴趣区域,以便后续在冷冻结构光照明显微镜(cryoSIM)中成像。(C)在(B)所示位置获得的重建冷冻结构光照明显微镜(cryoSIM)图像。缩写:cryoSIM = Cryo-structured illumination microscopy。 请点击此处查看该图的放大版本。
与其它超分辨率成像技术相比,低温条件下的三维结构光照明显微镜(3D SIM)在对玻璃态生物样品成像时具有诸多优势。该方法每层z切片所需的图像数量显著少于其他超分辨率方法,从而减少了辐照量,降低了玻璃态样品中冰晶形成的概率。此外,该技术能够对整个细胞进行成像,并可与X射线断层扫描技术联用,实现结构与功能的关联分析。有趣的是,大多数市售荧光染料和荧光标记在低温条件下的光漂白程度低于室温条件。然而,考虑到多数常见荧光染料在室温下已具有较高的量子产率(某些情况下超过80%),所检测到的光子绝对增益并非源于量子产率的改变,而是由于复杂的光漂白过程被抑制所致。有关荧光染料在低温条件下发光产率的更多信息可参见文献8。
使用具备明场功能的常规冷冻荧光显微镜对送达cryoSIM的样品进行预先成像,以生成网格图,这是至关重要的 "地图" 包括对所有潜在的AOI进行高亮显示,以便进一步成像(图5)。cryoSIM 的使用时间通过竞争性流程分配,申请人需提交方案,随后由评审方评估其技术可行性和生物医学影响力。因此,设备使用时间始终紧张 "极为珍贵",预设的网格标记可实现资源分配的最高效率。在样品从样品 holder 转移至成像平台的过程中,必须始终保持其处于玻璃态,以最大限度减少冰晶形成及由此导致的样品损伤。样品质量应良好,以获得最佳的 SIM 图像。制备良好的样品应具备以下特征:(a)无冰晶污染,(b)使用带定位标记的 finder grid,(c)载网基底平整,(d)载网网格及基底表面无自发荧光,(e)支撑膜无破损。通过谨慎操作样品并确保其始终处于玻璃态,即可满足上述各项前提条件。
在使用冷冻SIM显微镜前,必须预先确认所选用的样品荧光染料是否能够产生足够的信号。诸如SPEKCheck9之类的工具可帮助选择最优的荧光染料和滤光片组合。如果原始数据采集或重建过程存在问题,则在图像重建后可能出现伪影。Demmerle等人10已记录了多种不同类型伪影的实例。若重建结果不理想,可通过打开重建摘要文件,在SoftWoRx日志文件中检查图像重建参数。在特定通道中,不同角度下的条纹间距应保持一致,且振幅应相对稳定。若变化超过30%,或数值显著高于1(若已应用了微珠尺寸补偿),则需进一步排查,此类情况很可能表明重建失败。此外,Fiji中的SIMcheck2软件也可用于对原始数据和重建数据执行多种检查,以诊断成像或重建参数设置中的错误原因。SIM-check及其调制对比度图还可通过判断图像中哪些区域更可能是真实结构而非伪影,辅助评估重建数据的质量。
细胞核区域内较低的调制对比度(如图5E中深色所示)意味着该区域更容易出现重建伪影,因此核内出现的网格状图案(图5D)可被归类为伪影。强荧光信号区域在处理后的数据中更有可能准确反映原始结构。在荧光团分布较广、信号较弱的区域(例如囊泡的整个表面),真实信号可能与处理伪影共存,因此在解读此类数据时应格外谨慎。在检查全范围重建数据以确认不存在异常伪影,并确保背景信号总体呈高斯分布且中心接近零值后,通常将数据在零处进行截断,或使背景信号的众数值(即峰值)非常接近零。这可确保显示图像的动态范围不会被负值背景伪影所主导。当预期信号较弱时,应更加仔细地分析特征,以确认其为真实结构而非重建伪影。
成像系统存在一些局限性。由于样品台是平面的,因此厚度不均或非平面的网格样品并不适合成像。此外,如果将使用软X射线断层扫描进行关联成像,则不应成像靠近网格边界的细胞,因为在倾斜系列采集过程中,这些细胞在X射线显微镜下不可见。最后,样品在浸入冷冻前的 blotting 程度对成像质量有显著影响;blotting 不足会导致样品过厚,从而产生背景噪声较高的次优SIM图像,而 blotting 过度则可能导致细胞变形,因而更容易受到入射激光束的热损伤。总之,冷冻SIM是一种强大的荧光显微镜工具,可用于在接近天然状态下对生物样品进行三维成像,并在多个领域具有广泛的应用前景。
作者声明不存在竞争性财务利益。
本项目获得了欧洲委员会“地平线2020”iNEXT-Discovery项目的资助。I. M. Dobbie 承认获得了惠康信托基金(Wellcome Trust,项目编号:107457/Z/15/Z)的资助。本工作在钻石光源(Diamond Light Source)B24仪器(提案编号:BI25512)的支持下完成。我们感谢Micron的工作人员以及所有优秀的用户和合作者,感谢他们帮助我们建立冷冻SIM技术及其关联成像潜力。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 自动网格 | FEI | ||
| 自动网格 | 赛默飞世尔科技 | 1036173 | |
| BioTracker 488 绿色微管细胞骨架染料 | 西格玛奥德里奇 | SCT142 | |
| Cockpit 软件 | 牛津大学 | https://github.com/MicronOxford/cockpit | |
| 冷冻兼容聚氨酯容器 | Jena bioscience | CC-FD-800 | |
| 冷冻透射电镜网格储存盒 | 赛默飞世尔科技 | 型号#AutoGrid | |
| 冷冻-SIM 显微镜 | 定制设备 | N/A | 定制设备,设计参考如下文献: Michael A. Phillips, Maria Harkiolaki, David Miguel Susano Pinto, Richard M. Parton, Ana Palanca, Manuel Garcia-Moreno, Ilias Kounatidis, John W. Sedat, David I. Stuart, Alfredo Castello, Martin J. Booth, Ilan Davis, and Ian M. Dobbie, "CryoSIM: 超分辨率三维结构光照明显微技术用于关联超微结构成像",Optica 7, 802–812 (2020)。配备尼康 TU Plan Apo 100x/0.9 NA 物镜。 |
| 冷冻载台系统 | Linkam Scientific Instruments | CMS196 | |
| 精细尖端手术镊 | Ted Pella | 38125 | |
| MitoTracker Deep Red FM | 赛默飞世尔科技 | M22426 | |
| Python 显微镜软件 | 牛津大学 | https://www.python-microscope.org/ | |
| 科学用干纸巾 | Kimberly-Clark 7551 | 2 | |
| SIM 重建软件 | softWoRx, GE Healthcare | 版本 6.5.2 | |
| StitchM 软件 | Diamond Light Source | https://github.com/DiamondLightSource/StitchM | |
| 样品用透射电镜网格 | Quantifoil Micro Tools | G200F1 |
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