本文介绍了一种扩展显微镜技术(ExM)的新版本——Magnify,该技术经过改进后可实现高达11倍的扩展,能够保留多种生物分子类别,并适用于多种组织类型。该方法使得利用常规的衍射受限显微镜即可对生物分子的纳米级构型进行研究。
本文介绍了一种扩展显微镜技术(ExM)的新版本——Magnify,该技术经过改进后可实现高达11倍的扩展,能够保留多种生物分子类别,并适用于多种组织类型。该方法使得利用常规的衍射受限显微镜即可对生物分子的纳米级构型进行研究。
生物样本的纳米级成像有助于加深对疾病发病机制的理解。近年来,扩张显微镜技术(ExM)已被证明是一种有效且低成本的光学超分辨率显微镜替代方案。然而,该技术受限于需要特定且通常是定制的锚定试剂,以在凝胶中保留不同类别的生物分子,同时也难以处理标准的临床样本形式,例如福尔马林固定石蜡包埋组织,尤其是在需要较大扩张倍数或保留蛋白质表位的情况下。本文介绍了一种名为 Magnify 的新型 ExM 方法,可在多种组织类型中实现高达 11 倍的稳定扩张。通过使用甲基丙烯醛作为组织与凝胶之间的化学锚定剂,Magnify 能够在凝胶中保留多种生物分子(如蛋白质、脂质和核酸),从而可在常规光学显微镜上对组织进行广泛的纳米级成像。本实验方案描述了确保组织稳定且无裂纹扩张的最佳操作实践,以及处理和成像高度扩张凝胶的实用技巧。
生物系统 在结构上具有异质性,从肢体和器官到纳米尺度的蛋白质均是如此。因此,要全面理解这些系统的运行机制,需要在这些不同尺度上进行可视化观察。然而,光的衍射极限使得在常规荧光显微镜下观察小于约200-300 nm的结构面临挑战。此外,尽管诸如受激辐射损耗(STED)、光激活定位显微镜(PALM)、随机光学重建显微镜(STORM)和结构照明显微镜(SIM)等光学超分辨率方法1,2,3功能强大,但它们自身也存在挑战,例如需要昂贵的硬件和试剂,且通常成像速度较慢,在三维空间中对大体积样本成像的能力较差。
扩展显微技术4 (扩展显微技术,ExM)通过将生物分子共价锚定于可吸水膨胀的聚合物凝胶中,并通过物理方式将其分离,从而在常规光学显微镜下实现对原本受光衍射极限限制的结构的分辨,为突破光学衍射极限提供了另一种途径。自该技术首次发表以来,已发展出多种ExM实验方案变体。 ExM 出现还不到十年,这些方案允许蛋白质的直接整合5,6,7,RNA8,9,10,或脂质11,12,13 通过改变化学锚点或进一步扩增样品(从而提高有效分辨率),以单步方式进入凝胶网络14 或多个迭代步骤15,16直到最近,还没有一种扩张显微镜(ExM)方案能够在使用单一市售化学锚定剂的同时,保留这三类生物分子,并形成机械强度足够、可在单次扩张过程中膨胀约10倍的凝胶。
本文介绍了 Magnify17,这是扩展显微技术(ExM)工具库中的最新成员,采用甲基丙烯醛作为生物分子锚定剂。甲基丙烯醛与组织形成的共价键类似于多聚甲醛的作用,可确保多种类别的生物分子保留在凝胶网络中,而无需使用多种特异性或定制的锚定试剂。此外,该技术可实现广泛组织样本最高达11倍的膨胀,包括福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)临床样本等 notoriously 难处理的样品。以往扩展此类机械刚性样本的方法需要强烈的蛋白酶消化,导致样本膨胀后无法对目标蛋白进行抗体标记。相比之下,本技术采用高温变性溶液实现 FFPE 临床样本的膨胀,从而在凝胶中完整保留蛋白质的表位,可在膨胀后用于靶向成像(图1)。
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所有涉及动物的实验操作均按照美国国立卫生研究院(NIH)指南进行,并经卡内基梅隆大学机构动物护理与使用委员会批准。人体组织样本为商业获取。
1. 储备试剂和溶液的配制
注意:所用试剂的列表请参见材料表。
2. 归档和新鲜制备的临床组织切片的组织准备
注意:组织预处理步骤根据样本的制备方式而有所不同。
3. 多聚甲醛固定的 小鼠 脑组织 制备
4. 胶凝
注意:本方案适用于采用该技术处理的所有组织类型。
5. 样品消化与组织扩张
注意:本方案适用于所有类型的组织。
6. 扩增后生物分子分析
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如果实验方案已成功完成(图1),样品在热变性后应呈现清澈且平整的外观;任何折叠或起皱现象均表明匀质化不完全。成功扩大的样品在1× PBS中体积将增大3-4.5倍,在ddH2O中完全扩大后体积可达原来的8-11倍。图3展示了采用本方案处理的5 µm厚人肾FFPE样品在扩大前后图像的示例,其扩大倍数超过8倍。组织首先使用针对ACTN4的抗体以及DAPI染色,以显示核DNA。随后使用转盘共聚焦显微镜对样品成像(图3A)。接着按照上述方案对组织进行处理,包括对相同靶标进行扩增后染色,并在水中完全扩大(图3B)后重新成像。在热变性后,除蛋白质外的其他生物分子也可进行染色和成像,如图4所示。脂溶性染料可用于揭示小鼠脑组织中的细胞膜和线粒体膜结构(图4A)。此外,还可通过FI...
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本文介绍了Magnify技术方案17,这是一种扩展显微技术(ExM)的变体,能够通过单一化学锚定剂保留多种生物分子,并利用热变性处理将难以处理的福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)临床样本扩展至原来的11倍。本方案与其他ExM方案的关键区别在于采用了重新配制的凝胶,该凝胶即使在完全膨胀后仍保持良好的机械强度,同时使用甲基丙烯醛(methacrolein)作为生物分子的锚定剂。本方案中最关键的步骤如下:1)终末凝胶溶液的组成;2)凝胶化步骤的时间控制;3)凝胶化反应室的设置;4)样本均质化的参数设定;5)在扩增后染色前,必须充分洗去样本中的十二烷基硫酸钠(SDS)。
该方案最关键的参数是终末凝胶溶液的组成,尤其是生物分子锚定剂甲基丙烯醛的浓度。不同类型的组织需要不同的甲基丙烯醛浓度(表3),因此必须谨慎选择与待扩增样本相匹配的浓度。甲基丙烯醛锚定过度会导致扩增倍数降低,并减少扩增后染色可用的表位;而锚定不足,尤其是在福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)的临床样本中,可能导致组织开裂或形变。因此,对于尚未验证的组...
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作者声明存在以下竞争性财务利益:Y.Z.、A.K.、Z.C. 和 B.R.G. 发明了多项与 Magnify 和 ExM 相关的技术。
本工作由卡内基梅隆大学和 D.S.F. 慈善基金会(Y.Z. 和 X.R.)、美国国立卫生研究院(N.I.H.)院长新创新者奖 DP2 OD025926-01 以及考夫曼基金会资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 4-羟基-TEMPO (4HT) | Sigma Aldrich | 176141 | 抑制剂 |
| 6孔玻璃底培养板 (#1.5 盖玻片) | Cellvis | P06-1.5H-N | |
| 丙烯酰胺 | Sigma Aldrich | A8887 | 凝胶单体组分 |
| 过硫酸铵 (APS) | Sigma Aldrich | A3678 | 引发剂 |
| DAPI (1 mg/mL) | Thermo Scientific | 62248 | |
| 十乙二醇单十二醚 (C12E10) | Sigma Aldrich | P9769 | 非离子型表面活性剂 |
| 金刚石刀片 No. 88 CM | General Tools | 31116 | |
| 乙醇 | Pharmco | 111000200 | |
| 乙醇 | Pharmco | 111000200 | |
| 乙二胺四乙酸 酸 (EDTA) 0.5 M | VWR | BDH7830-1 | 匀浆缓冲液组分 |
| 镊子 | |||
| 甘氨酸 | Sigma Aldrich | G8898 | 匀浆缓冲液组分 |
| 肝素 | Sigma Aldrich | H3393 | |
| 甲基丙烯醛 | Sigma Aldrich | 133035 | 锚定剂 |
| 显微盖玻片 #1 (24×60 mm) | VWR | 48393 106 | |
| 显微盖玻片 #1.5 (24×60 mm) | VWR | 48393 251 | |
| N,N,N′,N′- 四甲基乙二胺 (TEMED) | Sigma Aldrich | T9281 | 加速剂 |
| N,N′-亚甲基双丙烯酰胺 (Bis) | Sigma Aldrich | M7279 | 凝胶单体组分 |
| N,N-二甲基丙烯酰胺 (DMAA) | Sigma Aldrich | 274135 | 凝胶单体组分 |
| Nunclon 4孔×5 mL 多孔细胞培养皿 | Thermo Fisher | 167063 | |
| Nunclon 6孔细胞培养皿 | Thermo Fisher | 140675 | |
| Nunc™ 15 mL 离心管 | Thermo Fisher | 339651 | |
| Nunc™ 50 mL 离心管 | Thermo Fisher | 339653 | |
| 旋转摇床 | |||
| 画笔 | |||
| pH计 | |||
| 磷酸盐缓冲液 (PBS), 10x 溶液 | Fischer Scientific | BP399-1 | |
| 聚乙二醇 200 | Sigma Aldrich | P-3015 | |
| 蛋白酶K (分子生物学级) | Thermo Scientific | EO0491 | |
| 剃须刀片 | Fischer Scientifc | 12640 | |
| SafeLock 微量离心管 1.5 mL | Thermo Fisher | 3457 | |
| SafeLock 微量离心管 2.0 mL | Thermo Fisher | 3459 | |
| 丙烯酸钠 (SA) | AK Scientific | R624 | 凝胶单体组分 |
| 叠氮化钠 | Sigma Aldrich | S2002 | |
| 氯化钠 | Sigma Aldrich | S6191 | |
| 柠檬酸三钠二水合物 | Sigma Aldrich | C8532-1KG | |
| 十二烷基硫酸钠 (SDS) | Sigma Aldrich | L3771 | 匀浆缓冲液组分 |
| Tris碱 | Fischer Scientific | BP152-1 | 匀浆缓冲液组分 |
| 吐温X-100 | Sigma Aldrich | T8787 | |
| 尿素 | Sigma Aldrich | U5378 | 匀浆缓冲液组分 |
| 二甲苯 | Sigma Aldrich | 214736 | |
| 20x SSC | Thermo Scientific | AM9763 | |
| 吐温20 | Sigma Aldrich | P1379 | |
| 聚-L-赖氨酸 | Sigma Aldrich | P8920 |
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