通过将样品扩增水凝胶化学与无标记化学特异性刺激拉曼散射显微镜相结合,该方案描述了如何在生物样品中实现无标记超分辨率体积成像。使用额外的机器学习图像分割算法,可以在没有抗体标记的组织中获得蛋白质特异性多组分图像。
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通过将样品扩增水凝胶化学与无标记化学特异性刺激拉曼散射显微镜相结合,该方案描述了如何在生物样品中实现无标记超分辨率体积成像。使用额外的机器学习图像分割算法,可以在没有抗体标记的组织中获得蛋白质特异性多组分图像。
荧光显微镜,尤其是超分辨率显微镜的普遍应用,极大地推动了现代生物学的知识。相反,荧光技术中荧光团标记的要求带来了重大挑战,例如荧光探针的光漂白和不均匀标记以及样品处理时间延长。在该协议中,介绍了肿胀组织振动成像和分析 (VISTA) 的详细工作程序。VISTA 绕过了与荧光基团相关的障碍,并在生物样品中实现了空间分辨率低至 78 nm 的无标记超分辨率体积成像。该程序是通过将细胞和组织包埋在水凝胶中,各向同性扩增水凝胶样品杂交体,并通过受激拉曼散射显微镜的振动成像可视化内源性蛋白质分布来建立的。该方法在细胞和小鼠脑组织上均得到验证。观察到高度相关的 VISTA 和免疫荧光图像,验证了成像特异性的蛋白质来源。利用这种相关性,训练了一种基于机器学习的图像分割算法,以实现对无标记小鼠大脑图像中的细胞核、血管、神经元细胞和树突的多组分预测。该程序进一步适用于研究细胞中的病理性聚谷氨酰胺 (polyQ) 聚集体和脑组织中的淀粉样蛋白 β (Aβ) 斑块,具有高通量,证明了其用于大规模临床样本的潜力。
光学成像方法的发展彻底改变了对现代生物学的理解,因为它们提供了从亚细胞蛋白到整个器官的不同尺度上靶标的前所未有的空间和时间信息1。其中,荧光显微镜是最成熟的,拥有大量具有高消光系数和量子产率的有机染料2、易于使用的遗传编码荧光蛋白3,以及用于纳米级结构成像的超分辨率方法,如 STED、PALM 和 STORM 4,5.此外,样品工程和保存化学的最新进展扩大了包埋在可溶胀聚合物水凝胶中的样品 6,7,8,使传统荧光显微镜的亚衍射极限分辨率成为可能。例如,典型的扩增显微镜 (ExM) 通过四倍各向同性样品扩增7 有效地将图像分辨率提高了四倍。
尽管具有优势,但超分辨率荧光显微镜存在荧光团标记带来的局限性。首先,荧光团的光漂白和失活损害了重复和定量荧光评估的能力。当光不断将电子泵入电子激发态时,光漂白是不可避免的事件9。其次,将荧光基团标记到所需的靶标并不总是一件容易的事。例如,免疫染色需要漫长而费力的样品制备过程,并阻碍成像通量10。由于抗体标记不均匀,它还可能引入伪影,尤其是组织深处11。此外,靶向所需蛋白质荧光团的适当标记策略可能尚未开发。例如,需要进行广泛的筛查才能找到针对 Aβ 斑块的有效抗体12。较小的有机染料,如刚果红,通常特异性有限,只能对 Aβ 噬菌斑的核心进行染色。因此,非常需要开发一种无标记的超分辨率模式,以规避荧光团标记的缺点,并提供从细胞到组织,甚至到大规模人类样品的互补高分辨率成像。
拉曼显微镜为化学特异性结构提供无标记的对比度,并通过观察激发的振动跃迁来绘制原本不可见的化学键的分布图13。特别是,无标记或微小标记样品上的受激拉曼散射 (SRS) 成像已被证明具有与荧光显微镜相似的速度和分辨率14,15。例如,在人类和小鼠组织中,健康的大脑区域很容易与肿瘤浸润区域区分开来 16,17。通过在新鲜冷冻的脑切片上靶向蛋白 CH3 振动 (2940 cm-1) 和酰胺 I (1660 cm-1),在没有任何标记的情况下,Aβ 斑块也清晰成像18。因此,拉曼散射提供了强大的无标记对比度,克服了荧光团的局限性。然后,问题就变成了如何使用拉曼散射来实现超分辨率能力,拉曼散射可以揭示生物样品中的纳米级结构细节和功能意义。
尽管人们已经做出了广泛的努力来使用优雅的光学仪器实现拉曼显微镜的超分辨率,但生物样品的分辨率增强相当有限 19,20,21。在这里,基于最近的工作22,23,我们提出了一种协议,该协议将样品扩展策略与受激拉曼散射相结合,用于超分辨率无标记振动成像,称为肿胀组织的振动成像和分析 (VISTA)。首先,通过优化的蛋白质-水凝胶杂交方案将细胞和组织包埋在水凝胶基质中。然后将水凝胶组织杂交体在富含去污剂的溶液中孵育以进行脱脂,然后在水中膨胀。然后,通过常规 SRS 显微镜靶向保留内源性蛋白质的 CH3 振动,对扩增的样品进行成像。VISTA 由于其无标记成像功能,绕过了荧光团标记引起的光漂白和不均匀标记,具有更高的样品处理通量。这也是首次报道的亚 100 nm(低至 78 nm)无标记成像。除了典型的 SRS 设置22,24 之外,不需要额外的光学仪器,使其易于应用。使用相关 VISTA 和免疫荧光图像,训练了一种已建立的机器学习图像分割算法25,26 从单通道图像生成蛋白质特异性多重图像。该方法进一步应用于研究小鼠脑组织中的 Aβ 斑块,根据细胞核和血管包围的斑块核心和外周细丝的精细视图提供适合亚表型的整体图像。
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本研究中执行的所有动物程序均已获得加州理工学院机构动物护理和使用委员会 (IACUC) 的批准,并且协议程序符合所有相关的伦理法规。
1. 制备用于固定和样品扩增的储备液
2. 哺乳动物细胞样品的制备
3. 小鼠脑样品的制备
4. 细胞和组织样品的水凝胶包埋、变性和扩增
5. 扩增细胞和组织样品中内源性蛋白质分布的无标记成像
6. 免疫标记和扩增组织样品的 VISTA 和荧光成像
7. U-Net 架构的构建、培训和验证
注意:建议在 Linux 上安装。需要具有 >10 GB RAM 的显卡。
8. VISTA 结合 U-Net 预测无标记图像中蛋白质特异性多重性
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在确定了成像和分析方法的工作原理后,进行了图像配准以评估膨胀率并确保样品处理过程中的各向同性膨胀(图 1A、B)。未处理样品和 VISTA 样品均在靶向 2940 cm-1 处的键振动时进行成像,该振动源自内源性蛋白质的 CH3。在未经处理的样品中,由于周围组织的脂质含量过多,细胞核等富含蛋白质的结构是深色的 22(图 1A)。在包括脱脂处理的样品处理后,所得图像显示出相同的特征,但具有反向对比度(图 1B)。细胞核和血管的形状和相对位置完全没有改变(图 1A、B;编号结构),证实了该处理是一个各向同性过程。通过比较相应细胞核的大小,得出结论,与未处理的样品相比,该方法在脑组织样品中的扩增增加了 3.4倍 2...
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总之,我们提出了 VISTA 的方案,这是一种无标记模式,用于对细胞和组织的富含蛋白质的细胞和亚细胞结构进行成像。通过靶向水凝胶包埋的细胞和组织中蛋白质的内源性 CH3,该方法在生物样品中实现了低至 78 nm 的有效成像分辨率,并解决了 Aβ 噬菌斑中亨廷顿聚集体和原纤维的轻微挤出。该技术是第一个报告无标记成像模式的分辨率低于 100 nm 的实例22。与现有的扩增方法 6,7,8,28,33,34 相比,该技术继承了无标记 SRS 成像的优点,因此不会因激光照射而发生光漂白、灭活或淬灭。此外,作为一种无标记...
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作者声明没有利益冲突。
我们感谢加州理工学院生物成像设施提供的软件支持。L.W. 感谢美国国立卫生研究院(NIH 主任新创新者奖,DP2 GM140919-01)、安进(安进早期创新奖)和加州理工学院启动资金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.0 M Tris pH 8 | Sigma-Aldrich | 648314 | |
| 16% 多聚甲醛 | 电子显微镜科学 | 15710 | 在 PBS 中稀释至 4% |
| 25x 水浸物镜 | 奥林巴斯 | XLPLN25XWMP2 | NA 1.05 |
| 5XFAD 小鼠 | 突变小鼠 资源和研究中心以及杰克逊实验室 | B6SJL-Tg (APPSwFlLon, PSEN1*M146L*L286 V) 6799Vas/mmjax | 阿尔茨海默病脑 |
| 60 倍水浸物镜 | Olympus | UPLSAPO60XWIR | NA 1.2 |
| 丙烯酰胺 | Sigma-Aldrich | A9099 | |
| 过硫酸铵 | Sigma-Aldrich | A3678 | |
| 抗 MAP2 | 细胞信号传输技术 | 8707 | |
| 抗 NeuN | 细胞信号传输技术 | 24307 | |
| 硼硅酸盐盖玻片 #1.5 | Fisher Scientific | 1254581 | |
| C57BL/6J 小鼠 | Jackson Laboratory (JAX) | 664 | 正常小鼠 |
| D2O | Sigma-Aldrich | 151882 | 用于 SRS 校准 |
| DAPI | Thermo Fisher | D1306 | |
| DMEM | GIBCO | 10566-016 | |
| FBS | GIBCO | A4766 | |
| 载玻片 3" x 1" x 1 | mmVWR | 16004-430 | |
| 山羊抗鸡 IgY、Alexa Fluor 647 | Invitrogen | A-21449 | |
| 山羊抗小鼠 IgG、Alexa Fluor 647 | Invitrogen | A-21236 | |
| 山羊抗兔 IgG、Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-11034 | |
| 山羊抗大鼠 IgG、Alexa Fluor 568 | Invitrogen | A-11077 | |
| Grace Bio-Labs 压入密封硅胶隔离器 | Sigma-Aldrich | GBL664108 | 显微镜垫片 |
| Htt-97Q-GFP 质粒 | 来自 R. Kopito 教授和 F.-U.Hartl 教授的礼物。 | ||
| 激光扫描显微镜 | Olympus | FV3000 | 激光扫描共聚焦显微镜 |
| Lipofectamine 3000 | Thermo Fisher | L3000001 | 转染剂 |
| Lycopersicon Esculentum Lectin DyLight®594 (凝集素) | Vector Laboratories | DL-1177-1 | |
| 显微镜垫片 | Grace Bio-Labs | 621502 | |
| N,N′-亚甲基双丙烯酰胺 (BIS) | Sigma-Aldrich | M1533 | 以 2% 的水溶液形式购买 |
| 核酸酶 | Thermo Fisher | 10977-015 | |
| 青霉素-链霉素 | GIBCO | 15140-122 | |
| 聚苯乙烯珠 | Sigma-Aldrich | 43302 | 用于分辨率表征 |
| 丙烯酸钠 | Sigma-Aldrich | 408220 | |
| 十二烷基硫酸钠 | Sigma-Aldrich | 71725 | |
| 软羊毛油漆刷 #3 | TANIS | 000333 | |
| SRS 激光 | A.P.E | picoEmerald | 2ps 脉冲宽度 |
| 四甲基乙二胺 | Sigma-Aldrich | T9281 | |
| 组织培养瓶 25 cm2 | 康宁 | 430639 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| 吐温-20 | Sigma-Aldrich | P9416 | |
| 镊子 | 精细科学工具 | 11295-51 | |
| 振动切片机 | Leica | VT1200S | 振动切片机 |
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