Este informe describe un protocolo de preparación de muestras y condiciones de imagen específicas para realizar tomografía electrónica de transmisión de barrido de muestras biológicas gruesas.
Artículo de método
Este informe describe un protocolo de preparación de muestras y condiciones de imagen específicas para realizar tomografía electrónica de transmisión de barrido de muestras biológicas gruesas.
Este informe describe un protocolo para preparar especímenes biológicos gruesos para su posterior observación utilizando un microscopio electrónico de transmisión de barrido. También describe un método de imagen para estudiar la estructura 3D de especímenes biológicos gruesos mediante tomografía electrónica de transmisión de barrido. El protocolo de preparación de muestras se basa en métodos convencionales en los que la muestra se fija mediante agentes químicos, se trata con un agente de contraste de sal de átomos pesados, se deshidrata en una serie de baños de etanol y se incrusta en resina. A continuación, se describen las condiciones de imagen específicas para la observación de muestras gruesas mediante microscopía electrónica de transmisión de barrido. Las secciones de la muestra se observan utilizando un método de enfoque continuo que implica la recopilación de varias imágenes en varios planos focales. Esto permite la recuperación de información enfocada a varias alturas a lo largo de la muestra. Este patrón de recolección particular se realiza en cada ángulo de inclinación durante la recopilación de datos de tomografía. A continuación, se genera una sola imagen, fusionando la información enfocada de todos los diferentes planos focales. A continuación, se genera un conjunto de datos clásico de la serie de inclinación. La ventaja del método es que la alineación y reconstrucción de la serie de inclinación se puede realizar con herramientas estándar. La colección de imágenes focales permite la reconstrucción de un volumen 3D que contiene todos los detalles estructurales de la muestra enfocada.
Desde principios de la década de 1970, la tomografía se acerca en la microscopía electrónica de transmisión (TEM) han sido ampliamente utilizados para la caracterización estructural de las muestras biológicas 1, 2, 3. El atractivo de la tomografía electrónica de transmisión era que podría ser utilizado para estudiar una amplia gama de estructuras biológicas a escala nanométrica, de la arquitectura de las células y la ultraestructura de los orgánulos a la estructura de los complejos macromoleculares y proteínas. Sin embargo, la tomografía electrónica de transmisión no se podría utilizar para estudiar muestras muy gruesas (mayor de 0,5 m). De hecho, las muestras gruesas producen demasiados electrones dispersos, la generación de imágenes de baja relación señal-ruido (SNR). Además, la tomografía implica la colección de imágenes de especímenes inclinados, con el espesor aparente de la muestra aumenta con el ángulo de inclinación. A pesar de que la dispersión inelástica se puede filtrarutilizando filtros de energía, la cantidad crítica de electrones necesarios para imágenes de alto SNR apenas se alcanza en TEM. Por lo tanto, las muestras biológicas de espesor sólo se han estudiado utilizando seccionamiento 4.
Algunas muestras no pueden ser cortadas: algunos pueden degradar cuando se cortan, y otros necesitan ser estudiados en su totalidad con el fin de comprender su complejidad. Un enfoque alternativo es utilizar TEM en el modo 5, 6, 7, 8 de exploración. En microscopía de barrido electrónico de transmisión (STEM), la trayectoria óptica de los electrones es diferente de la de TEM convencional. Los electrones pasan a través de la muestra sin dispersión se pueden recoger en el eje óptico con un detector de campo brillante (BF) 9, mientras que dispersa elásticamente se pueden recoger en un cierto ángulo desde el eje óptico con un detector de campo oscuro (DF).La otra ventaja de STEM es que el haz de electrones enfocado es escaneado en la superficie de la muestra, lo que permite la colección de píxel por píxel de las imágenes. A pesar de que el haz de electrones se ensancha mientras pasa a través de la muestra 10, este sistema de recogida es menos sensible a los electrones inelástica dispersos que TEM convencional. Además, no hay lente post-espécimen en STEM, evitando así las aberraciones cromáticas que pueden ocurrir en TEM. La longitud de la cámara se puede ajustar de manera que el detector detecta BF principalmente electrones dispersados. Utilizando el detector DF para estudiar muestras gruesas, no se recomienda debido a la dispersión múltiple, que produce imágenes imprecisas. En lugar de ello, el detector de BF se puede utilizar 11. Mientras STEM puede producir imágenes de alta SNR, tiene una relativamente baja profundidad de campo debido a la relativamente alta convergencia de haz en comparación con TEM, disminuyendo la cantidad de información en profundidad que se puede recuperar a partir de espesorespecímenes. En el caso de microscopios de STEM de aberración corregida, en el que el ángulo de convergencia puede ser tan alta como 30 mrad, el campo de profundidad de puede ser lo suficientemente baja para que la información que está en el foco origina a partir de un plano focal de sólo unos pocos nanómetros . Configuración del haz de electrones en el modo paralelo aumenta la profundidad de campo del haz de electrones en detrimento de la resolución 12. Sin embargo, esta disposición no siempre es posible.
Siempre que sea necesario el uso de un haz de electrones convergente, deberán utilizarse las técnicas que mejoran la profundidad de campo del haz de electrones en el estudio de muestras de espesor. Estudios recientes han informado de la adquisición de varias imágenes en diferentes planos focales en toda la muestra de recuperar la máxima cantidad de información que tiene el foco 13, 14. Los dos estudios describen diferentes maneras de manejar la información de los diferentes planos focales. Hovden et al.combinan en el espacio de Fourier de las imágenes que se recogieron en diferentes planos focales, y se obtuvo la reconstrucción final directamente a partir de la inversa 3D transformada de Fourier 13. Por el contrario, Dahmen et al. desarrollado un motor de reconstrucción de haz convergente para reconstruir en el espacio real del volumen 3D a partir de los diferentes planos focales 14. Nuestro laboratorio también desarrolló un método para obtener imágenes de muestras biológicas de espesor. Nuestra estrategia era diferente de los dos métodos descritos anteriormente en que nos fusionamos la información que está en el foco en los diferentes planos focales y reconstruido el volumen final en 3D en el espacio real mediante un proyector de haz paralelo 15. Nuestro objetivo fue desarrollar un método que se puede realizar fácilmente en cualquier laboratorio de microscopía electrónica. Con este fin, que tuvo como objetivo recoger las imágenes focales en una cantidad limitada de tiempo, comparable con el marco de tiempo de los experimentos de tomografía convencionales. Además, nuestra propuesta de método de could ser adaptado para su uso con diferentes tipos de alineación y software de reconstrucción.
En el contexto de nuestra publicación a partir de 2015 15, queríamos visualizar y caracterizar la recuperación de la profundidad de campo, por lo que se utilizó una gran convergencia semi-ángulo de 25 mrad. A continuación, presentamos un protocolo paso a paso para realizar a través focal imágenes in STEM de acuerdo con el método desarrollado en nuestro laboratorio en 2015 15, y presentamos cómo se procesan los datos de 2015. Este método recupera la información que tiene el foco de varios planos focales a lo largo de un (750 nm) muestra biológica de espesor y permite reconstrucciones en 3D de alta calidad. En su caso, también se presentan las diferencias en esta metodología en comparación con los métodos utilizados por otros grupos.
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Precaución: Consulte las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) de los diversos reactivos antes de usarlos. Varios de los productos químicos utilizados durante la preparación de la muestra son tóxicos, carcinogénicos, mutagénicos y / o tóxicos para la reproducción. Usar el equipo de protección personal (guantes, bata de laboratorio, pantalones largos y zapatos cerrados) y el trabajo bajo una campana de humos durante la manipulación de la muestra. Seccionar la muestra con un ultramicrotomo implica el uso de instrumentos afilados, y el uso cuidadoso de estas herramientas es obligatorio. En los pasos descritos a continuación, los autores suponen que la muestra es una muestra de cultivo celular. puede necesitar ser modificada de acuerdo con el tipo de muestra, especialmente los pasos de centrifugación el protocolo.
1. Preparación de tampones y mezclas
2. La fijación y coloración de la prueba
La deshidratación 3. Muestra
4. Incorporación de Resina
5. Resina de polimerización
Seccionamiento 6. Muestra
7. Diseño de la inclinación de la serie A través focal


8. Muestra Imaging
NOTA: Está más allá del alcance de este protocolo para describir cómo configurar un microscopio electrónico en modo STEM; la mayor parte de esta información se puede encontrar in el manual de referencia proporcionado por el fabricante del microscopio electrónico. Sin embargo, tenga en cuenta lo siguiente: i) el tamaño del punto debe ser elegido de acuerdo con el cambio de tamaño deseado; ii) la Ronchigram debe estar bien alineado; y iii) en el modo de BF, la longitud de la cámara se debe ajustar para seleccionar electrones dispersados manteniendo una buena iluminación del detector. secciones de resina depositado sobre rejillas de cobre de microscopía electrónica debe estar encendida antes de la adquisición de imágenes para evitar la contracción. la contracción de la resina y los efectos de carga podrían ser confundidos durante la adquisición de imágenes. El uso de una apertura de la lente objetivo podría mejorar la estabilidad de la muestra cuando se producen efectos de carga. Sin embargo, en el caso específico de las configuraciones de STEM, la apertura del objetivo no es compatible con el modo de imagen HAADF, y muy pequeñas aberturas objetivas no son compatibles con el modo de imagen BF.
Procesamiento 9. Imagen
NOTA: En este protocolo, el procesamiento de la serie de inclinación a través focal se realiza usando ImageJ plugins 17. Datos suplementarios 1 muestra una macro ImageJ para el paso de alineación (Turboreg) y para la fusión de la información de enfoque (profundidad de campo) para una serie de inclinación a través focal diseñado con tres valores de enfoque.
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En nuestro estudio, los electrones se aceleran a 200 kV en el microscopio electrónico de transmisión cañón de emisión de campo. Las imágenes se recogieron en modo STEM BF utilizando un tiempo de permanencia de 20 mu s. En cuanto al diseño de la serie de inclinación a través de-focal, encontramos que los intervalos de enfoque de 150 nm dieron resultados satisfactorios para el estudio ultraestructural de una muestra, incluso biológica 750 nm de espesor, aunque la profundidad de campo de ha...
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En este artículo, se presenta un protocolo de preparación de muestras convencional junto con una guía paso a paso para realizar el análisis 3D en muestras biológicas de espesor utilizando la tomografía por STEM-focal. Resina incrustación de muestras biológicas se ha utilizado durante décadas 26 y protocolos alternativos que se adaptan a diferentes tipos de muestras se pueden encontrar en la literatura 27. Por el contrario, las muestras gruesas de imagen en STEM está utiliz...
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No tenemos ningún conflicto de intereses que divulgar.
Este trabajo fue financiado por dos subvenciones ANR (ANR-11-BSV8-016 y ANR-10-IDEX-0001-02). También reconocemos al PICT-IBiSA por proporcionar acceso a equipos de imágenes químicas.
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Solución salina tamponada con fosfato | Sigma-Aldrich | P4417 | |
| Etanol | Sigma-Aldrich | 2860 | |
| Resina epoxi | EMS | 14120 | |
| Paraformaldehído | Sigma-Aldrich | P6148 | Agregue polvo de paraformaldehído al PBS calentado a aproximadamente 60 °C. Aumente el pH agregando 1 N NaOH hasta que no se vea polvo de PFA. |
| Glutaraldehído | Sigma-Aldrich | G5882 | |
| Tetróxido de osmio | EMS | 19150 | |
| Acetato de uranilo | Sigma-Aldrich | 73943 | |
| Cápsula de gelatina | EMS | 70110 | |
| Cuchillos de recorte e histo | Distribución LFG Cuchillos | de diamante de diatomeo | |
| Microscopía electrónica Rejilla de cobre | LFG Distribution | G200-Cu | |
| Bolígrafo de recubrimiento de rejilla | LFG Distribution | 70624 | |
| Portamuestras | JEOL | EM-21311 HTR | |
| Microscopio electrónico | JEOL | JEM-2200FS |
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