基于电子预共振受激拉曼散射(epr-SRS)的彩虹样拉曼染料成像,是一种用于高重数基于表位的蛋白质成像的新平台。本文中,我们提供了一份实用指南,包括抗体准备、组织样本染色、SRS显微镜组装以及epr-SRS组织成像。
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基于电子预共振受激拉曼散射(epr-SRS)的彩虹样拉曼染料成像,是一种用于高重数基于表位的蛋白质成像的新平台。本文中,我们提供了一份实用指南,包括抗体准备、组织样本染色、SRS显微镜组装以及epr-SRS组织成像。
在组织中可视化大量特定生物标志物对于探索复杂生物系统的精细结构具有重要作用。因此,高通量成像技术日益受到重视。本文介绍一种新兴的高通量振动成像平台,该平台通过电子预共振受激拉曼散射(epr-SRS)成像技术,利用彩虹样拉曼染料实现对特定蛋白质的检测,其灵敏度可与标准免疫荧光技术相媲美。该方法突破了传统免疫荧光技术中光谱可分辨通道数量的限制,提供了一种单次光学成像即可在亚细胞分辨率下检测组织中多种标志物的方法。该技术普遍适用于标准组织样本制备方式,包括多聚甲醛固定的组织、冷冻组织以及福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)的人体组织。我们预期该平台将为生物样本中的蛋白质相互作用提供更全面的图景,尤其适用于较厚的完整组织。本实验方案涵盖了从抗体制备、组织样本染色、SRS显微镜组装到epr-SRS组织成像的完整工作流程。
复杂的组织系统由不同的细胞亚群组成,其空间位置和相互作用网络与其功能和功能障碍密切相关1,2。为了揭示组织结构并解析其复杂性,必须掌握单细胞分辨率下蛋白质的空间定位信息。因此,高通量多重蛋白质成像技术日益受到重视,有望成为研究组织生物学的核心工具3,4,5。目前常见的多重蛋白质成像方法可分为两大类:一类是依赖多轮组织染色与成像的连续免疫荧光成像,另一类是结合重金属标记抗体的成像质谱流式技术6,7,8,9,10,11,12。
本文介绍了一种基于抗体的多重蛋白质成像替代策略。与主流的荧光成像方式不同,拉曼显微镜具有更窄的光谱线宽(半高全宽(FWHM)约10 cm-1),而荧光成像由于其较宽的激发和发射光谱(半高全宽(FWHM)约500 cm-1),通常只能同时可视化4至5个通道,因此拉曼显微镜可实现更高通量的多重检测。近年来,利用其窄谱特性,发展出一种名为电子预共振受激拉曼散射(epr-SRS)显微镜的新型拉曼成像方法,为多重成像提供了有力的技术手段13。通过探测拉曼染料中电子耦合的振动模式,epr-SRS可使拉曼截面产生高达1013倍的显著增强效应,从而克服了传统拉曼显微镜的灵敏度瓶颈(图1A)13,14,15。因此,epr-SRS的检测限已达到亚微摩尔(sub-µM)水平,使得对细胞内特定蛋白质和细胞器等重要分子标志物的拉曼检测成为可能13,16。特别是,通过使用拉曼染料标记的抗体,已实现了对细胞和组织中特定蛋白质的epr-SRS成像(称为免疫-eprSRS),其灵敏度可与标准免疫荧光方法相媲美(图1B)13,17。仅需将泵浦光波长调节2 nm,epr-SRS信号即可完全消失(图1B),显示出极高的振动对比度。
在探针方面,已开发出一组彩虹般的拉曼探针,称为曼哈顿拉曼散射(Manhattan Raman scattering, MARS)染料,用于抗体偶联13,18,19,20。这一独特的拉曼调色板包含一系列具有π-共轭三键的新型染料(补充材料),每种染料在生物正交拉曼光谱范围内均表现出单一且窄的增强型受激拉曼散射(epr-SRS)峰(图1C)。通过修饰核心发色团结构并对三键的两个原子进行同位素编辑(补充材料),已开发出光谱上相互分离的拉曼探针。利用其可扩展的多重检测能力,epr-SRS显微技术结合MARS染料调色板为细胞和组织中的单次多重蛋白质成像提供了一种光学策略。
免疫-增强型受激拉曼散射(immuno-eprSRS)为当前多重蛋白成像方法提供了一种具有独特优势的替代策略。与需要循环进行染色、成像和信号清除的荧光方法相比,这种基于拉曼的技术实现了单轮染色和成像,从而避免了循环操作中的实际复杂性,显著简化了实验流程,开辟了多重蛋白成像的新领域。例如,通过结合专为拉曼染料定制的组织透明化方案,免疫-epRSRS 已被拓展至三维空间,可在厚而完整的组织中实现高度多重的蛋白定位17。已有研究在毫米级厚度的小鼠脑组织中实现了超过10种蛋白靶标的可视化17。最近,将免疫-epRSRS 与优化的生物分子保留型膨胀显微镜(ExM)方案相结合21,还实现了多靶标的一次性纳米级成像22。与成像质谱技术4,9相比,epRSRS 具有非破坏性,并具备固有的光学切片能力。此外,epRSRS 在组织扫描中具有更高的时间效率。通常,对一个面积为 0.25 mm2、像素尺寸为 0.5 µm 的组织区域,单个 epr-SRS 通道的成像仅需几分钟。例如,图4中四个 SRS 通道加四个荧光通道的总成像时间约为 10 分钟。
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该实验方案遵循哥伦比亚大学机构动物护理和使用委员会批准的动物实验方案(AC-AABD1552)进行。
1. 拉曼染料偶联抗体的制备
2. 组织样本制备
3. 组织免疫-表面增强拉曼散射染色
4. SRS 显微镜组装
注意:在串联SRS-荧光成像中使用商用共聚焦荧光系统。更多描述可参见先前的报告17。本方案将重点介绍使用窄带激发的SRS成像部分。
5. 图像采集与分析
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图3展示了epr-SRS在不同样本中的示例图像,包括固定细胞(图3A)、多聚甲醛(PFA)固定的鼠类组织(图3B)以及福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)的人体标本(图3C)。SRS显微镜的空间分辨率受衍射极限限制,使用近红外光激发时,典型的横向分辨率为~300 nm,轴向分辨率为1–2 µm。因此,通过α-微管蛋白的免疫-eprSRS成像,可真实呈现HeLa细胞中微管等精细的亚细胞结构(图3A)。此外,epr-SRS通常适用于FFPE组织(图3C),而FFPE组织是临床诊断和病理学研究中常见的活检标本形式。与双光子荧光显微镜类似,作为一种非线性过程,epr-SRS具备光学切片能力,可实现具有亚细胞分辨率的三维结构成像(图3D–...
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本文介绍了免疫-电子顺磁共振SRS(immuno-eprSRS)技术方案,该方法广泛适用于多种常见组织类型,包括新鲜保存的小鼠组织、福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)的人体组织以及冷冻小鼠组织。该技术已在细胞和组织中针对一系列抗原表位进行了验证,具体如表1所列。这一单次检测平台特别适用于循环标记策略难以有效实施的应用场景。例如,在厚组织中进行循环荧光标记具有较高挑战性,因为多轮三维免疫标记过程在实际操作中耗时过长且难以实现17。此外,由于非线性的三维组织学形变,循环方法还极易引入图像配准误差11,17。免疫-epRSRS技术克服了此类情况下循环荧光方法的实际障碍,为在大体积样本中揭示蛋白质相互作用网络提供了新的可能17。
目前多重检测的主要限制因素是二抗的可用性。尽管本实验方案主要关注间接免疫标记(即MARS探针与二抗偶联),但直接免疫标记...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢 Ruth A. Singer 和 Richard K.P. Benninger 提供小鼠胰腺组织。W.M. 感谢美国国立卫生研究院(NIH)R01(GM128214)、R01(GM132860)、R01(EB029523)以及美国陆军(W911NF-19-1-0214)提供的资助支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 16% 甲醛,电镜级 | 电子显微镜科学公司 | 15710 | |
| α-tubulin | Abcam | ab18251 | 一抗 |
| α-tubulin | BioLegend | 625902 | 一抗 |
| β-III-微管蛋白 | BioLegend | 657402 | 一抗 |
| β-III-微管蛋白 | Abcam | ab41489 | 一抗 |
| β-tubulin | Abcam | ab131205 | 一抗 |
| 低熔点琼脂糖 | Sigma Aldrich | A9414 | 用于脑组织包埋 |
| 兔源抗α-微管蛋白抗体(α-微管蛋白) | Abcam | ab52866 | 一抗 |
| 小鼠抗钙结合蛋白抗体(Calbindin) | Abcam | ab82812 | 一抗 |
| 抗GABA B受体R2 豚鼠来源的抗体(GABA B 受体 R2) | 默克生命科学 | AB2255 | 一抗 |
| 山羊抗GFAP抗体(GFAP) | 赛默飞世尔科技 | PA5-18598 | 一抗 |
| 抗胰高血糖素 小鼠产生的抗体(胰高血糖素) | Santa Cruz Biotechnology | sc-514592 | 一抗 |
| 由豚鼠产生的抗胰岛素抗体(insulin) | DAKO | IR00261-2 | 一抗 |
| 大鼠源抗MBP抗体(MBP) | Abcam | ab7349 | 一抗 |
| 兔源抗 NeuN 抗体(NeuN) | 赛默飞世尔科技 | PA5-78639 | 一抗 |
| 抗胰多肽(PP)山羊源抗体 - 胰多肽(PP) | Sigma Aldrich | SAB2500747 | 一抗 |
| 兔源抗 Pdx1 抗体(Pdx1) | Millipore | 06-1379 | 一抗 |
| 抗生长抑素抗体(大鼠来源)(生长抑素) | Abcam | ab30788 | 一抗 |
| 鸡源抗波形蛋白抗体(Vimentin) | Abcam | ab24525 | 一抗 |
| 带通滤光片 | KR Electronics | KR2724 | 8 MHz |
| BNC 50 欧姆终端电阻器 | Mini Circuits | STRM-50 | |
| BNC 电缆 | Thorlabs | 2249-C | 同轴电缆,BNC公对公 |
| 宽带介电镜 | Thorlabs | BB1-E03 | 750 - 1100 nm |
| C57BL/6J 小鼠 | 杰克逊实验室 | 000664 | |
| 离心 | |||
| 聚光镜 | Olympus | 油镜,1.4 数值孔径 | |
| 细胞角蛋白18 | Abcam | ab7797 | 一抗 |
| 细胞角蛋白18 | Abcam | ab24561 | 一抗 |
| 直流电源 | TopWard | 6302D | 偏置电压为 64 V |
| 二向色镜支架 | Thorlabs | KM100CL | 适用于最大1.3的运动学支架" (33 毫米)高矩形光学元件,左手型 |
| 驴抗鸡IgY(H+L) | 杰克逊免疫研究实验室 | 703-005-155 | 用于MARS偶联的二抗 |
| 驴抗山羊IgG(H+L) | Jackson ImmunoResearch | 705-005-147 | 用于MARS偶联的二抗 |
| 驴抗豚鼠IgG(H+L) | Jackson ImmunoResearch | 706-005-148 | 用于MARS偶联的二抗 |
| 驴抗小鼠IgG(H+L) | 杰克逊免疫研究实验室 | 715-005-151 | 用于MARS偶联的二抗 |
| 驴抗兔IgG(H+L) | 杰克逊免疫研究实验室 | 711-005-152 | 用于MARS偶联的二抗 |
| 驴抗大鼠IgG(H+L) | Jackson ImmunoResearch | 712-005-153 | 用于MARS偶联的二抗 |
| 驴抗羊IgG(H+L) | 杰克逊免疫研究实验室 | 713-005-147 | 用于MARS偶联的二抗 |
| DPBS | Fisher Scientific | 14-190-250 | |
| EpCAM | Abcam | ab71916 | 一抗 |
| 乙醇 | Sigma Aldrich | 443611 | |
| 高速采样放大器 | 苏黎世仪器 | HF2LI | DC - 50 MHz |
| FFPE 肾脏样本 | USBiomax | HuFPT072 | |
| 纤维蛋白原 | Abcam | ab5821 | 一抗 |
| Giantin | Abcam | ab24586 | 一抗 |
| 胰高血糖素 | Santa Cruz Biotechnology | sc-514592 | 一抗 |
| H2B | Abcam | ab1790 | 一抗 |
| HeLa | ATCC | ATCC CCL-2 | |
| 高光密度带通滤光片 | Chroma Technology | ET890/220m | 过滤斯托克斯光束并透射泵浦光束 |
| 疏水笔 | Fisher Scientific | NC1384846 | |
| 胰岛素 | 赛默飞世尔科技 | 701265 | 一抗 |
| 集成SRS激光系统 | 应用物理学 &安培电子有限公司 | picoEMERALD | picoEMERALD 在 1,064 nm 处提供脉宽为 6 ps、重复频率为 80 MHz 的输出脉冲序列,用作斯托克斯光束。532 nm 的倍频光用于同步泵浦一台皮秒光学参量振荡器(OPO),以产生脉宽为五至六皮秒的锁模脉冲序列(OPO 的闲频光通过干涉滤光片被阻断)。OPO 的输出波长可在 720 范围内调谐–950 nm,作为泵浦光束。1,064 nm的斯托克斯光束由picoEMERALD内置的电光调制器(EOM)以8 MHz频率进行正弦调制,调制深度超过90%。泵浦光束与斯托克斯光束通过picoEMERALD内部的二向色镜实现空间重叠。泵浦脉冲与斯托克斯脉冲之间的时间重叠通过内置延迟装置实现,并利用显微镜下纯D2O的受激拉曼散射(SRS)信号进行优化。 |
| 倒置激光扫描显微镜 | Olympus | FV1200MPE | |
| 运动学镜架 | Thorlabs | POLARIS-K1-2AH | 2 个低剖面六角调节器 |
| 普通小麦(小麦)凝集素 | Sigma Aldrich | L0636-5 mg | |
| 长通二向色分光镜 | Semrock | Di02-R980-25x36 | 980 nm 激光 BrightLine 单刃激光平面二向色分光镜 |
| MAP2 | BioLegend | 801810 | 一抗 |
| 显微成像软件 | Olympus | FluoView | |
| NanoQuant板 | Tecan | 用于酶标仪上的基于吸光度的小体积分析。 | |
| 正常驴血清 | 杰克逊免疫研究实验室 | 017-000-121 | |
| NucBlue 固定细胞即用型探针试剂(DAPI) | 赛默飞世尔科技 | R37606 | |
| Nunc 4孔培养皿 | Fisher Scientific | 12-566-300 | |
| 物镜 | Olympus | XLPlan N | ×25,1.05 数值孔径,MP,工作距离 = 2 毫米 |
| 画笔 | |||
| 潜望镜组件 | Thorlabs | RS99 | 包括上部和下部组件, Ø1" 后部及夹持叉。 |
| pH计 | |||
| 酶标仪 | Tecan | Infinite 200 PRO | 一款易于使用的多功能酶标仪。可在230 nm的光谱范围内进行吸光度检测。–1000 nm |
| ProLong Gold 抗荧光淬灭试剂 | 赛默飞世尔科技 | P36930 | |
| PSD95 | Invitrogen | 51-6900 | 一抗 |
| Sephadex G-25 Medium | GE Life Sciences | 17-0033-01 | 用于脱盐和缓冲液置换的凝胶过滤树脂 |
| 带BNC接头的屏蔽箱 | Pomona Electronics | 2902 | 带盖铝盒,BNC 母/母 |
| 硅光电二极管 | Thorlabs | FDS1010 | 350–1100 纳米,10 毫米 × 10 毫米有效面积 |
| 突触素2 | 赛默飞世尔科技 | OSS00073G | 一抗 |
| 组织病理学 Superfrost Plus Gold 载玻片 | Fisher Scientific | 22-035813 | 黏附载玻片,用于吸引并化学结合新鲜或福尔马林固定的组织切片,使其牢固附着于载玻片表面(组织黏附玻璃载玻片) |
| Triton X-100 | Fisher Scientific | BP151-500 | |
| 振动切片机 | Leica | VT1000 | |
| 波形蛋白 | Abcam | ab8069 | 一抗 |
| 二甲苯 | Sigma Aldrich | 214736 |
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