本方案通过整合高压冷冻(HPF)与华夫格法、低温聚焦离子束(cryo-FIB)拾取技术以及剂量对称平行采集,实现了厚组织样品冷冻电子断层扫描(cryo-ET)的标准化,可获得均一厚度的薄片和玻璃化样品,从而实现可重复的 原位 小鼠海马体中的分析。
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本方案通过整合高压冷冻(HPF)与华夫格法、低温聚焦离子束(cryo-FIB)拾取技术以及剂量对称平行采集,实现了厚组织样品冷冻电子断层扫描(cryo-ET)的标准化,可获得均一厚度的薄片和玻璃化样品,从而实现可重复的 原位 小鼠海马体中的分析。
冷冻电子断层扫描(cryo-ET)可实现对天然细胞超微结构的三维可视化,但其在厚组织中的应用受限于缺乏可靠的玻璃化冷冻技术以及低通量的薄片制备方法。本文介绍了一种端到端的工作流程,该流程结合了高压冷冻(HPF;~2100 bar;从组织分离到冷冻时间≤90 s),采用带有铜箔的“华夫格”组装方式对组织进行预减薄,随后进行冷冻聚焦离子束(cryo-FIB)取出及具有倾角补偿的可控减薄,获得厚度为120–200 nm的薄片。导电镀膜过程实现标准化(溅射铂,30 mA/15 s;气体注入系统帽层0.5–1.0 µm),以最小化帘幕效应。采用自动化、剂量对称的数据采集方式(0°, ±3°, ±6°…至±60–66°;步长2–3°;总剂量100–150 e⁻/Ų),结合基于深度学习的运动校正与对齐、相位板成像、300 keV冷冻透射电镜以及相位翻转加权,显著提升了信噪比。在人类胰岛中,该方法揭示了完整β细胞内微管的极性、突触样囊泡对接以及线粒体嵴的异质性。在小鼠大脑皮层中,观察到轴突中微管数量的梯度变化、突触前末端中与突触囊泡聚集相关的致密突起,以及少突胶质细胞突起内髓鞘的周期性结构。该工作流程支持在接近生理状态下对厚组织中细胞器与大分子复合物进行高分辨率三维分析。 关键词:冷冻电子断层扫描,高压冷冻,冷冻聚焦离子束,薄片制备,导电镀膜,剂量对称采集,深度学习,相位板,300 keV冷冻透射电镜,相位翻转加权,微管极性,突触样囊泡对接,线粒体嵴,髓鞘周期性结构,人类胰岛,小鼠大脑皮层2) 被实施 通过 PACEtomo 脚本,起始倾转角度由铣削角度和样品取向确定。使用 AreTomo 3 进行处理,可实现近实时的运动校正、CTF 估计、对齐和加权反投影(WBP)重构;IsoNet 可选择性地用于减少缺失楔形各向异性。子层析平均(RELION 4.0)采用伪子层析图策略,分辨率报告基于 0.143 的 FSC 截断值。该流程已在小鼠海马组织上得到验证,常规可获得良好玻璃化的样品和均一的薄片(目标厚度 150 ± 40 nm),并实现高通量倾转系列采集(通常每倾转系列 5–8 分钟)。本方案为研究提供了可重复的途径 原位 直接从复杂的组织环境中研究结构生物学。
冷冻电子断层扫描技术(cryo-ET)已成为在天然水合状态下观察大分子复合物和细胞结构的关键技术1,2,3,4,5通过从投影图像的倾斜序列中重建三维体积,冷冻电子断层扫描技术在细胞环境背景与近原子分辨率之间架起了桥梁,为结构生物学提供了前所未有的洞察。 原位6. 尽管冷冻电子断层扫描技术在细胞样本中的工作流程7 (包括悬浮细胞和贴壁细胞的冷冻聚焦离子束减薄样品)现已得到广泛应用,但将其直接拓展至厚实且结构完整的组织仍极具挑战性8,9,10这一点对于脑等高含水量组织尤为明显11,其中可靠的玻璃化冷冻及制备电子透明薄片(通常 <200 nm)仍然是持续存在的瓶颈12.
由于组织含水量高且热传导受限,实现组织的玻璃化冷冻具有挑战性。虽然浸入式冷冻对较薄的样品(≤20 µm)有效13,但对于大多数组织而言,该方法会失效。高压冷冻(HPF)通过施加高压抑制冰晶成核,理论上可实现厚度达约200 µm的样品玻璃化。然而,传统HPF在组织玻璃化方面的效率通常不理想。为了改善效果,近期研究采用了添加冷冻保护剂等策略14 并进行切片前处理15,16 (例如,使用振动切片机)在冷冻前通过机械方式降低样品厚度11,17尽管这些方法能够提高玻璃化冷冻的质量,但通常需要较长时间 离体 处理和使用可能改变天然结构的化学添加剂。为解决这些局限性,本研究对Kelley等人最初开发的“华夫格”载体策略进行了改进。18 通过引入一项关键优化:在冷冻前使用两个抛光的铜载片对脑组织进行物理压缩,从而在将样品固定于载有薄膜的载网与铜箔之间的过程中预先将其压薄。该设计不仅促进了快速且均匀的玻璃化冷冻,还显著增强了机械稳定性,从而有效防止后续操作中载网破裂和样品丢失,为获得完整且高质量的冷冻组织样本建立了可靠基础。
玻璃化冷冻后,样品变薄仍然是影响通量和质量的主要障碍。作为一种早期且被广泛采用的技术,冷冻超薄切片法(cryo-ultramicrotomy)推动了大量原位(in situ)结构研究的开展。然而,该方法常引入压缩和切削伪影19,20,从而破坏结构的完整性。相比之下,冷冻聚焦离子束(cryo-FIB)铣削技术21具有更高的精度和更小的形变7,22。最初,cryo-FIB 铣削被直接应用于载网上玻璃化样品以制备薄片(lamellae)23;然而,这种 in situ 方法主要适用于较薄的样品24,25(例如培养的细胞或外周组织区域),无法获取厚而大块组织内部的深层结构。为克服这一深度限制,研究人员开发了提取转移(lift-out)策略26,实现了从样品内部特异性地提取感兴趣区域(ROIs)。随后的方法学进展,包括连续提取(serial lift-out)27和载网上序列化切片(SOLIST)28,进一步提高了复杂组织中三维关联定位的通量、薄片稳定性和精确性。近年来,该领域持续取得创新进展,例如 Tang 等人提出的六面固定法29,可在提取和减薄过程中增强机械稳定性;以及 Benjamin C. Creekmore 等人开发的新型载网内铣削方法11,可在保留天然组织环境的同时实现对深层结构的访问。尽管取得了这些进展,现有方案在不同组织类型间的效率、可重复性和适应性方面仍存在差异。目前仍存在一个关键空白:尚未建立一种标准化、易于复制且广泛适用的工作流程,将上述优化整合为一个连贯的、适用于多种厚组织的处理管线。
本研究通过整合已有方法中的关键技术细节,并将其优化为通用的端到端流程,弥补了这一空白。该方案不仅采用改进的高压冷冻-华夫格(HPF-waffle)方法实现稳定的玻璃态冷冻,还结合了一系列优化的冷冻聚焦离子束(cryo-FIB)拾取与减薄步骤,包括系统性的过倾补偿、标准化导电镀层以及校准的铣削序列,从而整体上提高薄片的均匀性,减少伪影(如帘状伪影),并提升处理通量。与针对特定细胞类型或模式生物的方案不同,本工作流程以通用性为核心设计,提供了一个可灵活适应多种厚而复杂的组织(包括相对柔软且易受压缩的组织)的通用框架,其适用范围超越了本文所展示的小鼠海马组织。
在小鼠海马体这一具有挑战性的模型中进行了验证,该模型以易受冰损伤和结构复杂著称。本整合且通用的工作流程可稳定制备高质量的薄片(120–200 nm),并支持高效的倾转系列图像采集(每系列5–8分钟)。通过将最佳实践整合为一个连贯、易于获取且广泛适用的实验方案,本方法为在多种生物学和生物医学研究背景下开展厚组织冷冻电子断层扫描技术提供了可重复的框架,显著降低了该技术的应用门槛。
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所有涉及动物组织的实验程序均符合南方科技大学动物护理与使用委员会(IACUC)的规定(方案编号 SUSTech‑JY202501019)。所用试剂和设备列于材料表中。
1. 样品支撑物的制备
2. 高压冷冻
3. 聚焦离子束铣削与拾取
注意:使用配备冷冻载台的双光束显微镜执行以下步骤。整个过程中须将样品温度维持在 -170 °C 以下。
4. 冷冻电子断层扫描数据采集
5. 数据处理
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成功应用本方案可制备高质量的玻璃化组织薄片,并进一步重建出揭示天然细胞超微结构的断层图像。以下结果均使用小鼠海马组织展示,代表了一次成功的实验。
采用高压冷冻“华夫饼”法处理的组织块呈现出均匀且电子透明的外观(图4B、C)。完全玻璃化的样品未显示出与结晶冰相关的衍射衬度。从倾斜系列图像获得的功率谱呈现出弥散的分布特征,未见尖锐的六边形衍射环,表明无冰晶形成,证实细胞内的水成功保存为玻璃态,这对于高分辨率成像分析至关重要。尽管实验方案已优化,厚组织样本的完全玻璃化仍是技术上的挑战。在评估的四个组织块中,有一个样本内部出现局部冰晶形成;相比之下,接触表面的玻璃化效果始终更为理想。因此,组织操作和冷冻保护剂的应用仍需进一步实践,并需要开展更多的筛选工作。
后续的冷冻聚焦离子束铣削可从玻璃化组织块中稳定地制备薄片。该工作流程表现出一致的通量,每次标准的12小时制备周期平均可获得8 ± 2个可用薄片。薄片质量通过以下方面进行评估 通过<...
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本文所述的工作流程建立了一种通用、优化且可重复的管道 原位 冷冻电子断层扫描技术用于原位厚组织的研究。其主要贡献并不在于发明单一的新技术,而在于对整个流程进行系统性的整合、优化和详细标准化,从采用改良的华夫饼式高压冷冻法实现稳定玻璃化,到精确校准的冷冻聚焦离子束提取与减薄方案。这一整合策略解决了在复杂组织中应用冷冻电子断层扫描时常遇到的关键性可重复性与可及性难题。
关键步骤与方案优化
多项集成优化对于工作流程的成功与可靠性至关重要。首先,改进的高压冷冻“华夫格”法是基础,其关键改进在于:在冷冻前使用两个抛光的铜载片对组织进行物理压缩,从而预先减薄样品。组织被支撑在带膜载网上,并在其上方覆盖一层铜箔以固定样品并防止丢失。该设计不仅促进了快速且均匀的玻璃化冷冻,还显著增强了机械稳定性,有效防止在后续操作中载网破裂和样品丢失,为获得完整、高质量的冷冻组织样本奠定了坚实基础。其次,冷冻聚焦离子束(cryo-FIB)样品提取策略需通过一系列校准步骤执行。标准导电涂层方案(溅射铂/气体注入系统铂/溅射铂三层结构)对于电荷耗散至关重...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢南方科技大学冷冻电镜中心工作人员提供的技术支持。本项目得到国家科技创新计划(脑科学与类脑智能技术——国家科技重大专项,项目编号:2022ZD0211905)和国家自然科学基金(项目编号:32200998 和 32161133022)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1-十六碳烯 | Sigma-Aldrich | H2131 | 化学试剂 &试剂与耗材 |
| 2-甲基戊烷 | Sigma-Aldrich | M65807 | 化学试剂 &和试剂 |
| 夹环 | Thermo Fisher Scientific | 1131750;1188953 | 耗材 |
| 铜箔 | 冯成金属材料 | 1 µm 厚度 | 耗材 |
| 铜支撑透射电镜载网(100目) | 北京中精科仪技术有限公司 | BZ10021b | 耗材 |
| 冷冻电镜 | 赛默飞世尔科技 | Krios G4 | 设备 |
| 冷冻聚焦离子束 | 赛默飞世尔科技 | Aquilos 2 | 设备 |
| 冷冻聚焦离子束自动网格 | 赛默飞世尔科技 | 1205101 | 耗材 |
| 载网(UltrAufoil R 1.2/1.3 300 目) | Quantifoil | AltrAufoil | 耗材 |
| 高压冷冻仪 | Leica Microsystems | EM ICE | 设备 |
| 高压冷冻载网,铜 | Leica Microsystems | B型(6 mm) | 耗材 |
| 离子溅射镀膜仪 | Quorum | Q150RS plus | 设备 |
| 金相抛光膏 | Lab-testec | W0.5 | 耗材 |
| 抛光布 | GORAL | B00809 | 耗材 |
| 砂纸 | Eagle Brand 砂纸 | 8000目,12000目 | 耗材 |
| 体视显微镜 | Leica Microsystems | S9i | 设备 |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | 200-334-9 | 化学品 &试剂与耗材 |
| 倾转系列采集软件 | https://bio3d.colorado.edu/SerialEM/ | SerialEM 4.0.9 | 软件 |
| 倾转系列图像对齐 &与重建软件 | https://github.com/czimaginginstitute/AreTomo3 | AreTomo 3 | 软件 |
| 倾转系列采集软件 | https://github.com/eisfabian/PACEtomo | PaceTomo | 软件 |
| 倾转系列图像对齐 &和重建软件 | https://github.com/IsoNet-cryoET/IsoNet | IsoNet | 软件 |
| 倾转系列图像对齐 &与重建软件 | https://github.com/cryoem/eman2 | EMAN2 | 软件 |
| 倾转系列图像对齐 &和重建软件 | https://relion.readthedocs.io/en/release-4.0/index.html | Relion 4 | 软件 |
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