$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Este artículo destaca los resultados de combinar criofijación con microscopía de expansión en dos tipos diferentes de muestras: células de mamíferos cultivadas y parásitos de T. brucei . Ambas muestras fueron criofijadas o químicamente fijadas en un 4% de PFA antes de la expansión y la inmunotinción. Cabe señalar que otras fijaciones químicas podrían ser más adecuadas para orgánulos específicos (como metanol o glutaraldehído) y que solo se ha elegido PFA, una fijación química común, para comparar con la criofijación por simplicidad.
Se tintorcieron RPE1 humanos (células epiteliales pigmentarias retinianas) para αβ-tubulina, ATP5a y Hoechst para visualizar microtúbulos, mitocondrias y núcleos, respectivamente. Además, los geles se incubaron con éster fluorescente NHS antes de la expansión, un colorante que reacciona con los grupos aminas libres y, por tanto, tiñe todo el proteoma celular. Pudimos observar varias ventajas de la criofijación en comparación con la fijación química, como ya se ha demostrado23. La característica más llamativa fue que la criofijación preservó perfectamente la red mitocondrial, visible tanto mediante NHS-ester como anticuerpos específicos contra la subunidad alfa de la ATP sintasa (ATP5a) (Figura 3A,B). Además, dado que ATP5a está localizado en la membrana mitocondrial interna, podríamos resolver las cristas mitocondriales mediante criofijación (Figura 3B"). Por el contrario, la fijación de PFA no permitía preservar la red mitocondrial y, por tanto, las cristas mitocondriales no eran visibles en esta condición (Figura 3C"). También tiñimos microtúbulos en ambas condiciones y demostramos que la criofijación preservaba mejor los microtúbulos dinámicos, como los microtúbulos citoplasmáticos o astrales (Figura 3B-E). Sin embargo, microtúbulos estables, como los de los centriolos y cilios, orgánulos no membranosos compuestos por tripletes/dobletes de microtúbulos de 9 veces, se conservaron igualmente, si no mejor, en células fijadas en PFA en comparación con las células criofijadas (Figura 3B', C'). Es importante señalar que la criofijación, al preservar la integridad de las proteínas celulares, podría ser menos aplicable a estructuras muy densas como los centriolos o cilios. Esta observación también se ha hecho en estructuras rígidas como los poros nucleares, donde la fijación química desencadena un lavado de proteínas citoplasmáticas, permitiendo una mejor observación de las estructuras de los porosnucleares 23,32. Finalmente, pudimos demostrar que la criofijación también evita el efecto de reticulación de la fijación química, que afecta negativamente a la capacidad de expansión, como se muestra en los husos mitóticos, que estaban casi el doble de expandidos en condición criofijada en comparación con PFA (Figura 3D,E).
Las células de Trypanosoma brucei se coloraron para TDH34 (Figura 4A-D) para visualizar la mitocondria única y paraBiP 35 (Figura 4E,F) para resaltar el retículo endoplásmico. Además, los geles se teñieron con éster fluorescente del NHS. Como se observa en células humanas, la criofijación combinada con la expansión preserva mejor la arquitectura celular general (Figuras 4B, E), especialmente estas dos estructuras membranosas, en comparación con la fijación de PFA (Figura 4C, D, F). El citoesqueleto de microtúbulos de T. brucei es más rígido y estable que el de las células humanas; en consecuencia, no se observó una diferencia significativa entre PFA y criofijación. Además, el límite de resolución de la técnica U-ExM nos impide distinguir microtúbulos individuales (no mostrado).
En general, la criofijación aborda limitaciones de la fijación química clásica, como la preservación de orgánulos membranosos (mitocondrias, retículo endoplasmático) y elementos dinámicos del citoesqueleto (microtúbulos citoplasmáticos o astrales). Además, dado que la criofijación no crea ningún enlace cruzado entre proteínas, preserva completamente la capacidad de expansión, especialmente en estructuras rígidas y densas.
Controlar la calidad de la criofijación y expansión es esencial para preservar la ultraestructura celular de las muestras biológicas. Varios errores pueden resultar en una mala fijación y crear artefactos dentro de las muestras biológicas. Aquí destacamos los inconvenientes y resultados más comunes de la fijación criogénica y los resultados de una mala fijación. El artefacto más evidente creado por la criofijación es la aparición de grietas dentro de la muestra biológica (Figura 5A), también común en la criomicroscopía electrónica. Aunque estas grietas no alteran la ultraestructura intrínseca de los orgánulos, como se muestra en la Figura 5A (inserto) para mitocondrias y microtúbulos, podrían conducir a una mala interpretación de la relevancia biológica de estas grietas y deben considerarse con cautela. No existe una correlación específica entre los problemas de manipulación y la apariencia o abundancia de estas grietas.
Una característica específica indicativa de una mala fijación es la aparición de "estructuras similares a burbujas" dentro del citoplasma celular, indicando la presencia de cristales de hielo. Estas estructuras son especialmente visibles con la tinción de éster del NHS (Figura 5B). Normalmente se acompañan de una conservación limitada de elementos del citoesqueleto, como microtúbulos ondulados (Figura 5B), y una conservación muy pobre de orgánulos membranosos (mitocondrias en la Figura 5B). Estas características presentan problemas importantes de fijación, que pueden ser causados por (i) volumen y/o temperatura inapropiados de etano (pasos 2.2.4-2.2.6 del protocolo), (ii) calentamiento no gradual de la muestra biológica (pasos 2.3 y 2.4 del protocolo) y (iii) presencia de impurezas en la solución de sustitución por congelación (paso 2.2.1 del protocolo). Imágenes representativas de soluciones de acrilato de sodio que destacan el aspecto esperado de un 38% de acrilato de sodio utilizable (incoloro y translúcido [1]) o ligeramente amarillo y translúcido [2]), o no utilizable para expansión (amarillo/naranja y turbio [3]) se muestran en la Figura 5C.

Figura 1 Flujo de trabajo Cryo-ExM. (A) Las células vivas (células humanas o T. brucei) se criofijan sumergiéndose en etano líquido a -180 °C e incubadas en acetona congelada sobre hielo seco. La sustitución por congelación se realiza mediante un aumento constante y lento de la temperatura de -180 °C a -80 °C mediante incubación sobre hielo seco, lo que desencadena la licuefacción de acetona (-96 °C), y luego de -80 °C a -20 °C mediante incubación sin hielo seco. La rehidratación se realiza mediante baños sucesivos de etanol mezclados con una concentración en forma de media luna de agua destilada junto con un aumento constante de temperatura de -20 °C a temperatura ambiente. (B) Las muestras rehidratadas se proceden para su expansión de la siguiente manera: Las muestras se incuban en una mezcla de acrilamida: formaldehído (AA/FA) a 37 °C, permitiendo anclar las proteínas al polímero hinchado compuesto por acrilamida, bis-acrilamida y acrilato de sodio (AA/BIS/SA), este último confieriendo la propiedad de expansión al gel. Las muestras se incuban en NaCl/SDS a 95 °C para realizar la desestabilización de la interacción proteína-proteína y la desnaturalización suave. Este paso es esencial para la expansión isotrópica. Las muestras se inmunejan con anticuerpos primarios y secundarios regulares y finalmente se expanden en agua destilada. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 2. Crio-plungado y configuración de expansión. (A) Crio-émbolo en posición armada (panel superior) y posición abajo (panel inferior). La flecha indica el botón PULSADOR para activar el descenso. (B) Montaje de crio-inmersión listo para la inmersión, mostrando el nivel de nitrógeno líquido (N2) adecuado para criofijación, indicado por la altura de la espuma que rodea el dewar (punta de flecha roja). La araña extraíble está indicada con asteriscos. (C) Ilustración de los pasos clave del crio-precipicio desde mantener la cubierta (arriba a la izquierda), la posición de las cubiertas en dewar de etano líquido (abajo a la izquierda), y del tubo de recogida para la sustitución por congelación (derecha). (D) Ilustración del método de 'punzonamiento en gel' para la inmunotinción en muestras humanas. El gel polimerizado en las cubiertas (1) se corta usando un punzón específico para biopsia (P), formando un punzón de gel de 0,4 cm de diámetro (2), que puede teñirse en una placa de silicona (paneles derechos) para reducir la cantidad de anticuerpo. (E) Ilustración del método de 'corte en gel' para inmunotinción en muestras humanas y de T. brucei . Los geles polimerizados y desnaturalizados (1) se cortan en 4 piezas iguales (2), permitiendo su incubación en una placa de 12 pozos con anticuerpos. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 3. Comparación de criofijación y fijación de PFA en células humanas. (A) Imagen de disco giratorio de células RPE1 criofijas y expandidas teñidas para αβ-tubulinas (cian), subunidad 5a de ATP sintasa mitocondrial (ATP5a, amarillo) y éster NHS (rojo/gris) que muestra la excelente conservación tanto de orgánulos de membrana como de elementos del citoesqueleto, incluidos los centriolos y los cilios (punta de flecha). Barra de escala: 10 μm. (B, C) Imagen giratoria del disco giratorio de células RPE1 criofijas (B) y fijas por PFA (C) teñidas para αβ-tubulinas (cian), ATP5a mitocondrial (amarillo) y Hoechst (magenta) con énfasis en cilio primario (flechas, B', C') y mitocondrias (B", C"). Si la criofijación y la PFA preservan por igual los centrioles y los cilios primarios, la criofijación supera ampliamente la PFA en cuanto a preservación de la estructura mitocondrial (B", C"- puntas de flecha rojas indican cristas mitocondriales solo visibles en condiciones criofijas). Barras de escala: 1, 1 y 2,5 μm respectivamente. (D,E) Imagen de disco giratorio de células RPE1 criofijas (D) y fijadas con PFA (E) teñidas para αβ-tubulinas amarilla/gris), ATP5a mitocondrial (magenta) y Hoechst (azul BOP) que muestran que la criofijación permite una mejor expansión del husillo mitótico (puntas de flecha rojas) y preserva mejores microtúbulos del husillo mitótico (flechas rojas). Mediciones de la longitud del husillo mitótico: 12 μm y 7 μm para criofijación y PFA, respectivamente. Barras de escala: 10 μm. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 4. Comparación entre la criofijación y la fijación de PFA en Trypanosoma brucei. (A, B) Imágenes confocales de células procíclicas criofijadas y expandidas de T. brucei teñidas para la treonina mitocondrial deshidrogenasa (TDH, amarillo) y el éster NHS (rojo/gris), mostrando la excelente preservación de la mitocondria única y la arquitectura general de la célula. Barras de escala: 5 μm. (C, D) Imagen confocal de células procíclicas de T . brucei fijadas y expandidas con PFA teñidas para TDH (amarillo) y éster NHS (rojo/gris). Comparando la preservación de la estructura mitocondrial y la red, la criofijación supera a la fijación PFA. Barras de escala: 5 μm. (E, F) Imágenes confocales de células procíclicas criofijas (E) y PFA fijadas (F) y expandidas de T. brucei teñidas para marcadores endoplásmicos BiP y NHS-éster (gris), mostrando que la criofijación permite una mejor expansión y conservación del retículo endoplásmico. Barras de escala: 5 μm. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Figura 5. Problemas de criofijación. (A,B) Imágenes de disco giratorio de RPE1 criofijado y expandido teñidas para αβ-tubulinas (cian), subunidad 5a de ATP sintasa mitocondrial (ATP5a, amarillo) y éster NHS (rojo) que muestran efectos clásicos de criofijación: grietas (A, flechas) y burbujas (B, flecha). Aunque las grietas no afectan a las ultraestructuras de orgánulos (A), la presencia de burbujas en el citoplasma (B) indica una mala fijación y altera significativamente la preservación de los orgánulos subcelulares (mitocondrias y microtúbulos, insertos). Barras de escala: 5 μm y 2 μm (insertos). (C) Imagen que muestra diferentes soluciones de acrilato de sodio que destaca el aspecto esperado de un 38% de acrilato de sodio utilizable (incoloro y translúcido (1) o ligeramente amarillo y translúcido (2), o no utilizable para expansión (amarillo/naranja y turbio (3)). Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
Tabla 1: Condiciones de almacenamiento de la solución Por favor haga clic aquí para descargar esta tabla.
Tabla 2: Lista de anticuerpos Por favor, haga clic aquí para descargar esta tabla.
Tabla 3: Condiciones de inmunotinción Por favor haga clic aquí para descargar esta tabla.