July 9th, 2016
哺乳动物脑组织的线粒体可视化和分析是一项具有挑战性的任务。在这里,我们描述了如何使用连续块面扫描电子显微镜 (SBFSEM) 的三维 (3D) 重建分析来深入了解这种产生能量的关键细胞器的形态学和体积分析。
连续块面扫描电子显微镜技术的总体目标是分析小鼠大脑特定区域的线粒体形态、结构、分布、体积和数量。这种方法可以帮助回答神经生物学中的许多关键问题,例如大脑线粒体结构、数量和分布的变化是否对神经退行性和神经发育障碍有重大影响。该技术的主要优点是,它通过在低真空扫描电子显微镜室中内置定制超薄切片机来自动化连续切片的成像过程。
实验开始时,在 0.1 摩尔二甲胂酸盐缓冲液中洗涤先前制备的戊二醛固定组织 3 次,每次 5 分钟。在室温下用 1 毫升二甲胂酸盐缓冲的 0.1% 单宁酸对组织进行后固定 30 分钟。固定后,在二甲胂酸盐缓冲液中洗涤组织。
将 0.3 克亚铁氰化钾和 0.86 克二甲胂酸钠溶于 10 毫升蒸馏水中。使用前,加入 10 毫升 4% 四氧化锇,并在冰上用 2% 亚铁氰化锇溶液对组织染色 90 分钟。染色后,用蒸馏水洗涤组织。
在室温下,用新鲜制备的 1% 硫代碳酰肼或 TCH 溶液处理样品 20 分钟。然后洗涤样品。接下来,用 2% 四氧化锇水溶液对组织染色 1 小时。
染色后,用蒸馏水洗涤组织。将样品在 4 摄氏度的蒸馏水中放入 1% 乙酸铀酰中孵育过夜。第二天,用蒸馏水冲洗组织,并在烤箱中与 Welton 的天冬氨酸铅染色剂一起孵育。
获得尽可能好的组织染色对于成像至关重要,因为染色不良会导致样品上出现电荷现象,从而使成像变得困难或不可能。用蒸馏水清洗纸巾。使用冰镇的乙醇溶液,通过一系列分级醇对样品进行脱水,每次 5 分钟,然后用 100% 乙醇脱水 3 次,每次 10 分钟。
用环氧丙烷洗涤样品 2 次,每次 15 分钟。将组织放入包埋树脂和环氧丙烷的 1:1 混合物中,盖上样品瓶,然后将组织孵育过夜。2 小时后打开样品瓶盖,使环氧丙烷在 9 小时内蒸发。
将组织转移到干净小瓶中的 100% fresh 包埋树脂中 2 小时。将样品嵌入包含印刷纸质标签的平面模具中的新鲜包埋树脂中,然后在烘箱中固化。一小时后,检查组织的位置和对齐情况,并在必要时进行调整。
将样品修剪到感兴趣的区域,并使用胶凝氰基丙烯酸酯强力胶将它们安装到铝针上。然后在块的侧面涂上胶体银浆,以提供通往铝针的导电路径。使用配备室内超薄切片机载物台和低千伏背散射电子检测器的扫描电子显微镜系统检查组织标本。
使用这些设置对样本进行成像。通过选择图像、类型开始分析,然后选择 8 位,将图像从原始专有的 16 位转换为 8 位 TIFF 格式。如果此步骤中的自动对比度和/或亮度转换不适用于图像,请重新打开 16 位图像,然后按图像、调整、亮度/对比度。
选择适用于所有图像的范围,然后按 应用.然后执行转换。如果切片之间存在不可接受的图像移动,请通过选择 Plugins、Registration(注册)和 Linear Stack Alignment with SIFT 来对齐图像堆栈,并将对齐设置为仅平移模式而不是刚体。
在注册之前,通过选择 Image (图像)、Adjust (调整)、Canvas Size (画布大小) 来放大画布大小。或者,通过选择所需的区域然后裁剪来将图像缩小到感兴趣的区域。如有必要,使用 ImageJ 将图像缩放到更小、更易于管理的大小,然后选择 Image (图像) 和 Scale(缩放)。
对低密度神经元培养物的共聚焦显微镜检查显示,驻留在神经元胞体中的线粒体形成网状网络,而驻留在远端神经突中的线粒体表现出离散的细长形态。使用连续块面扫描电子显微镜或 SBFSEM 技术,在小鼠大脑中清楚地观察到线粒体、树突和轴突静脉曲张。小鼠脑组织神经突中线粒体的 3 天重建显示树突线粒体和轴突线粒体之间的大小存在差异。
从具有代表性的 2-D SBFSEM 图像中提取的数据显示,位于神经元突触前内的线粒体的体积或大小明显小于位于突触外区域的线粒体。通过 SBFSEM 分析获取的图像提供了更高的分辨率,以直观地看到单个线粒体的超微结构特征。通过确定线粒体线粒体和突触前线粒体等易于识别的结构的接近程度,可以对线粒体的细胞区室进行分类。
这项技术可以在大约 7 天内完成,其中包括 3 天的染色、2 天的树脂固化、1 天的成像以产生适合此分析的堆栈,以及大约 2 到 4 小时的图像后处理以准备分析。该程序还可以与其他线粒体成像方法结合使用,例如使用基因标记的线粒体进行实时成像,以回答有关线粒体运输及其裂变和融合动力学的问题。
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本文讨论了使用串行块面扫描电子显微镜(SBFSEM)分析小鼠脑组织中线粒体形态的方法。它强调了理解线粒体结构和分布对于神经退行性和神经发育障碍的重要性。
Serial block-face scanning electron microscopy (SBFSEM) enables high-resolution, quantitative analysis of mitochondrial morphology and distribution in brain tissue, addressing a critical gap in neurodegenerative and neurodevelopmental disease research. This capability supports mechanistic de-risking and target validation by providing precise structural data on organelles implicated in disease pathogenesis. Integrating SBFSEM-derived insights at the discovery stage enhances predictive confidence for portfolio decisions involving mitochondrial targets.
SBFSEM integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling quantitative, high-resolution analysis of mitochondrial structure in defined brain regions.