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Figura 1: Comparación de diferentes técnicas de microscopía 3D, considerando resolución, instrumentación, tiempo de adquisición y esfuerzo. El volumen máximo factible de las técnicas se encuentra entre la tomografía crio-TEM técnicamente exigente que ofrece resolución molecular y la microscopía óptica, donde la resolución está limitada por el límite de difracción de la luz. Abreviaturas: TEM = microscopía electrónica de transmisión; STEM = TEM de exploración; SEM = microscopía electrónica de barrido; FIB = haz de iones enfocado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Las estructuras y sistemas relacionados con los virus abarcan una escala desde el régimen sub-angstrom (p. ej., moléculas pequeñas para viroterapia, proteínas virales aisladas) hasta varios metros (p. ej., organismos infectados completos). Las partículas virales están en el rango de 20-1.000 nm y se investigan principalmente en su contexto biológico, como las células huésped y las líneas celulares productoras de virus, que están en el rango de μm. Por lo tanto, la visualización de estructuras específicas relacionadas con virus depende de la elección de una técnica que proporcione un campo de visión suficiente y una resolución adecuada. El estudio de las células infectadas por el virus y los trozos de tejido se basa en técnicas de microscopía (Figura 1). Si bien las imágenes generales de células y tejidos se pueden adquirir mediante microscopía óptica clásica, las estructuras intracelulares involucradas en la replicación del virus a menudo se estudian mediante microscopía electrónica (EM). Aunque hoy en día se utiliza principalmente en la investigación virológica básica, la EM también se utiliza en el diagnóstico 1,2 y también ha encontrado su camino en aplicaciones biofarmacéuticas3.
A menudo, los enfoques EM 2D como la microscopía electrónica de transmisión clásica (TEM) no pueden responder suficientemente a una pregunta biológica determinada. En virología, este es especialmente el caso cuando se estudian las interacciones virus-huésped-célula como la unión y entrada de viriones, la formación de fábricas virales o la morfogénesis de viriones 4,5,6,7,8,9. Por lo tanto, la tomografía EM se utiliza para analizar la ultraestructura 3D de muestras biológicas. En principio, hay dos formas de adquirir un tomograma de una determinada muestra: 1) imágenes paso a paso de cortes en serie que luego se combinan en una pila de imágenes 3D, o 2) adquisición de proyecciones desde diferentes ángulos de visión de la muestra seguida de una reconstrucción computacional de la información en una pila de imágenes virtuales.
Las técnicas del primer tipo incluyen imágenes de secciones seriadas por TEM o SEM (tomografía de matriz SEM), SEM de cara de bloque seriada y tomografía SEM de haz de iones enfocado (FIB). Las imágenes SEM y TEM de secciones seriadas carecen de la resolución en z, que está limitada por el grosor de la sección, pero proporciona un gran campo de visión y se basa en equipos que están fácilmente disponibles en la mayoría de los laboratorios de EM4. La tomografía FIB-SEM puede producir una resolución isotrópica, pero los costos de dispositivo y mantenimiento pueden ser un desafío, y la obtención de imágenes de células enteras con resolución isotrópica requiere mucho tiempo 9,10.
El segundo tipo de tomografía se basa exclusivamente en la transmisión del haz de electrones a través de una muestra. Esto se puede hacer utilizando dos modalidades de imagen diferentes: TEM o microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM). Si bien la tomografía TEM está más extendida y es más fácil de implementar, el grosor de la sección está limitado a ~ 200 nm. Por lo tanto, las estructuras más grandes que el grosor de la sección, como las mitocondrias, las vesículas o los viriones, no se pueden visualizar dentro de un solo tomograma. La tomografía STEM ofrece la posibilidad de obtener imágenes de muestras de hasta 1 μm de espesor11,12. Sin embargo, requiere un STEM con alto voltaje de aceleración (≥200 kV) y una configuración que admita ángulos de inclinación altos, así como un pequeño ángulo de semiconvergencia13. Aunque la imagen STEM es una técnica común en la ciencia de los materiales, sigue siendo una técnica rara en los laboratorios de EM biológicos.
Aquí, presentamos un enfoque basado en la aplicación para utilizar la tomografía STEM para muestras virológicas. Debido a la alta complejidad y la naturaleza laboriosa de la tomografía EM, la preparación de muestras de alta calidad es crucial. Si bien la TEM (tomografía) criogénica es sin duda el estándar de oro para las investigaciones a nivel molecular, las imágenes a temperatura ambiente de células congeladas a alta presión y sustituidas por congelación proporcionan una preservación sólida y claridad de la ultraestructura celular 7,14. Brevemente, las células adherentes se cultivan en un disco de zafiro y se infectan o se tratan de otra manera como se desee. Luego, las células se inmovilizan congelándolas a alta presión a velocidades de enfriamiento muy altas, lo que resulta en la vitrificación del agua que contienen. Posteriormente, el agua se reemplaza por un solvente mientras las muestras se contrastan y se vuelven a llevar lentamente a temperatura ambiente. Luego, las muestras se incrustan gradualmente en resina.
Existen muchos protocolos para la congelación a alta presión y la sustitución por congelación, que difieren en la maquinaria, el sistema de transporte y la composición de la muestra. Se han publicado protocolos detallados para la congelación a alta presión, incluido uno de Walther et al.15, y un protocolo de video de Steyer et al.16, que se centra en la preparación de tejidos para FIB-SEM utilizando la mejora del contraste asistido por microondas. Para la investigación virológica, Read et al.17 y Romero-Brey18 publicaron protocolos detallados para la preparación de células infectadas por virus mediante congelación a alta presión con discos de zafiro y su posterior análisis mediante tomografía electrónica. También se ha descrito previamente el corte ultradelgado 15,17. Consulte la bibliografía citada para obtener más detalles sobre estos enfoques.
Aquí, presentamos un flujo de trabajo que es una versión adaptada y actualizada de los protocolos publicados anteriormente15,17 emparejados por primera vez con una guía de video detallada. El protocolo proporciona un flujo de trabajo para la preparación de muestras mediante congelación a alta presión, sustitución por congelación e inclusión en resina epoxi. Las secciones de 800 nm-1.000 nm de espesor se cortan con un ultramicrotomo. Se adquiere una serie basculante con un STEM de 200 kV, utilizando el software EM tools. Este protocolo está optimizado para células adherentes y proporciona un flujo de trabajo integral al tiempo que permite modificaciones para otros tipos de muestras, como células de tejido o suspensión. Para la tomografía STEM en condiciones criogénicas, consulte el trabajo del grupo19,20 de Michael Elbaum.