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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ce rapport décrit un protocole de préparation d’échantillons et des conditions d’imagerie spécifiques pour effectuer la tomographie électronique à transmission à balayage d’échantillons biologiques épais.
Ce rapport décrit un protocole de préparation d’échantillons biologiques épais pour une observation ultérieure à l’aide d’un microscope électronique à transmission à balayage. Il décrit également une méthode d’imagerie permettant d’étudier la structure 3D d’échantillons biologiques épais par tomographie électronique à transmission à balayage. Le protocole de préparation de l’échantillon est basé sur des méthodes conventionnelles dans lesquelles l’échantillon est fixé à l’aide d’agents chimiques, traité avec un agent de contraste de sel d’atome lourd, déshydraté dans une série de bains d’éthanol et noyé dans de la résine. Les conditions d’imagerie spécifiques à l’observation d’échantillons épais par microscopie électronique à transmission à balayage sont ensuite décrites. Des sections de l’échantillon sont observées à l’aide d’une méthode de mise au point traversante impliquant la collecte de plusieurs images à différents plans focaux. Cela permet de récupérer des informations nettes à différentes hauteurs dans l’échantillon. Ce modèle de collecte particulier est effectué à chaque angle d’inclinaison lors de la collecte des données de tomographie. Une seule image est ensuite générée, fusionnant les informations de mise au point de tous les différents plans focaux. Un jeu de données classique de série d’inclinaison est ensuite généré. L’avantage de la méthode est que l’alignement et la reconstruction de la série d’inclinaison peuvent être effectués à l’aide d’outils standard. La collecte d’images à travers les focales permet de reconstituer un volume 3D contenant tous les détails structurels de l’échantillon mis au point.
Depuis le début des années 1970, la tomographie par des approches en microscopie électronique à transmission (MET) ont été largement utilisés pour la caractérisation structurale des échantillons biologiques 1, 2, 3. L'appel de la tomographie d'émission d'électrons est qu'il pourrait être utilisé pour étudier un grand nombre de structures biologiques à l'échelle du nanomètre, de l'architecture des cellules et organites l'ultrastructure de la structure des complexes macromoléculaires et des protéines. Néanmoins, la tomographie d'émission d'électrons ne peut pas être utilisé pour étudier des échantillons très épais (supérieur à 0,5 um). En effet, les spécimens épais produisent trop d'électrons dispersés, générant faible rapport signal sur bruit (SNR) images. En outre, la tomographie implique la collecte d'images de spécimens basculées, l'épaisseur apparente de l'échantillon augmente avec l'angle d'inclinaison. Même si la diffusion inélastique peut être filtréeà l'aide de filtres d'énergie, la quantité critique d'électrons nécessaires pour les images SNR élevé est atteint à peine en TEM. Par conséquent, les échantillons biologiques épais ont seulement été étudiés en utilisant sectionnant 4.
Certains échantillons ne peuvent pas être tranchés: certains pourraient se dégrader quand ils sont coupés, et d'autres doivent être étudiées dans leur intégralité afin de comprendre leur complexité. Une autre approche consiste à utiliser TEM en mode 5, 6, 7, 8 numérisation. En microscopie électronique à balayage en transmission (STEM), le trajet optique des électrons est différente de celle TEM classique. Electrons passant à travers l'échantillon sans diffusion peuvent être collectées sur l'axe optique avec un champ lumineux (BF) détecteur 9, alors que ceux dispersés élastiquement peuvent être collectées à un certain angle par rapport à l'axe optique avec un détecteur de champ foncé (DF).L'autre avantage de STEM est que le faisceau d'électrons focalisé est balayé sur la surface de l'échantillon, ce qui permet la collecte de pixel par pixel des images. Même si le faisceau d'électrons élargit en passant à travers l'échantillon 10, ce système de collecte particulier est moins sensible aux électrons inélastique que TEM conventionnel. En outre, il n'y a pas d'objectif post-spécimen STEM, évitant ainsi les aberrations chromatiques qui peuvent survenir dans TEM. La longueur de la caméra peut être réglée de telle sorte que le détecteur de BF détecte principalement les électrons non dispersés. En utilisant le détecteur DF pour étudier des échantillons épais est pas recommandé en raison de la diffusion multiple, qui produit des images inexactes. Au lieu de cela, le détecteur de BF peut être utilisé 11. Alors que STEM peut produire des images SNR élevés, il a une relativement faible profondeur de champ en raison de la convergence de faisceaux relativement élevé par rapport à TEM, ce qui diminue la quantité d'informations en profondeur qui peut être récupéré à partir d'épaisseurspécimens. Dans le cas des microscopes SOUCHES aberration corrigée, où l'angle de convergence peut être aussi élevé que 30 mrad, la profondeur de champ-peut être suffisamment faible pour que l'information qui est mise au point provient d'un plan focal de seulement quelques nanomètres . La mise en place du faisceau d'électrons en mode parallèle augmente la profondeur de champ du faisceau d'électrons , au détriment de la résolution 12. Cependant, cette configuration est pas toujours possible.
Chaque fois qu'il est nécessaire d'utiliser un faisceau d'électrons convergent, on doit employer des techniques qui améliorent la profondeur de champ du faisceau d'électrons lorsque l'on étudie des échantillons épais. Des études récentes ont rapporté l'acquisition de plusieurs images à différents plans focaux à travers l'échantillon pour récupérer le maximum d'informations de mise au point 13, 14. Les deux études décrivent différentes façons de traiter les informations provenant des différents plans focaux. Hovden et al.combinés dans l' espace de Fourier les images qui ont été recueillies à divers plans focaux, et la reconstruction finale a été obtenue directement à partir de l'inverse 3D transformée de Fourier 13. En revanche, Dahmen et al. développé un moteur de reconstruction du faisceau convergent pour reconstruire dans l' espace réel le volume 3D à partir des différents plans focaux 14. Notre laboratoire a également développé une méthode pour l'imagerie des échantillons biologiques épais. Notre stratégie était différente des deux méthodes décrites ci - dessus en ce que nous avons fusionné l'information qui est mise au point dans les différents plans focaux et reconstruit le volume 3D finale dans l' espace réel à l' aide d' un projecteur de faisceau parallèle 15. Notre objectif était de développer une méthode qui peut facilement être effectuée dans un laboratoire de microscopie électronique. À cette fin, nous avons cherché à recueillir des images de liaison en une quantité limitée de temps comparable à la période des expériences de tomographie conventionnelle. En outre, notre méthode proposée could être adapté pour être utilisé avec différents types d'alignement et d'un logiciel de reconstruction.
Dans le cadre de notre publication à partir de 2015 15, nous voulions visualiser et caractériser la récupération de la profondeur de champ, nous avons donc utilisé un demi-angle de 25 mrad grande convergence. Ici, nous présentons un protocole étape par étape pour effectuer par focale imagerie STEM selon la méthode développée dans notre laboratoire en 2015 15, et nous présentons comment les données de 2015 ont été traitées. Cette méthode récupère les informations de mise au point de plusieurs plans focaux à travers un (750 nm) échantillon biologique épais et permet des reconstructions 3D de haute qualité. Le cas échéant, les différences dans cette méthode par rapport aux méthodes utilisées par d'autres groupes sont également présentés.
Attention: Consultez les fiches de données de sécurité (FDS) des différents réactifs avant de les utiliser. Plusieurs des produits chimiques utilisés lors de la préparation de l'échantillon sont toxiques, cancérigènes, mutagènes et / ou reprotoxiques. Utiliser un équipement de protection individuelle (gants, blouse, pantalon pleine longueur et des chaussures fermées) et de travailler sous une hotte lors de la manipulation de l'échantillon. Sectionnement l'échantillon avec un ultramicrotome implique l'utilisation d'instruments tranchants, et l'utilisation judicieuse de ces outils est obligatoire. Dans les étapes décrites ci-dessous, les auteurs supposent que l'échantillon est un échantillon de culture cellulaire. Le protocole peut devoir être modifiée selon le type d'échantillon, en particulier les étapes de centrifugation.
1. Préparation des tampons et des mélanges
2. Fixation et Coloration de l'échantillon
Déshydratation 3. Sample
4. Résine Embedding
5. Résine Polymérisation
Sectionnement 6. Sample
7. Conception du Tilt-série Through-focale


Imaging 8. Sample
NOTE: Il est hors de la portée de ce protocole pour décrire comment mettre en place un microscope électronique en mode STEM; la plupart de ces informations peuvent être trouvées in le manuel de référence fourni par le fabricant de microscope électronique. Cependant, notez ce qui suit: i) la taille du spot doit être choisi en fonction du grossissement souhaité; ii) l'Ronchigram doit être bien aligné; et iii) en mode BF, la longueur de la caméra doit être ajustée pour sélectionner des électrons non dispersés, tout en maintenant un bon éclairage du détecteur. sections de résine déposée sur la microscopie électronique des grilles de cuivre devraient être éclairés avant l'acquisition d'image pour empêcher le retrait. retrait de la résine et les effets de charge pourraient être confondus lors de l'acquisition d'image. L'utilisation d'une ouverture de l'objectif pourrait améliorer la stabilité échantillon lorsque les effets de charge se produisent. Cependant, dans le cas spécifique des configurations SOUCHES, l'ouverture de l'objectif n'est pas compatible avec le mode d'imagerie HAADF, et de très petites ouvertures objectives ne sont pas compatibles avec le mode d'imagerie BF.
Traitement 9. Image
NOTE: Dans ce protocole, le traitement tilt-série à travers focale est effectuée en utilisant ImageJ plugins 17. Données supplémentaires 1 montre une macro ImageJ pour l'étape d'alignement (Turboreg) et pour la fusion des informations de mise au point (profondeur de champ) pour une inclinaison de la série grâce à focale conçu avec trois valeurs de mise au point.
Dans notre étude, les électrons sont accélérés à 200 kV dans le microscope électronique à transmission du pistolet à émission de champ. Les images ont été recueillies en mode STEM de BF en utilisant un temps de séjour de 20 ms. En ce qui concerne la conception de l'inclinaison de la série par le biais-focal, nous avons constaté que les intervalles de mise au point de 150 nm ont donné des résultats satisfaisants pour l'étude ultrastructurale d'un échantillon-même 750 nm d'épaisseur biologique si la profondeur de champ-du faisceau d'électrons était seulement 3 nm puisque nous avons utilisé une convergence très grande semi-angle de 25 mrad.
L'échantillon analysé dans le présent rapport est Trypanosoma brucei, un eucaryote unicellulaire dont flagelle est intensivement étudiée car cet organite est remarquablement conservé des protistes aux mammifères 25. Les cellules ont été traitées tel que présenté dans le protocole de préparation des échantillons, et nous nous sommes concentrés sur l'analyse structurelle de la poche flagellaire de T. brucei ( (figure 2B, C et D). Sur les images recueillies, la zone qui est en mise au point apparaît mince, et la plupart de l'image est floue en raison de la profondeur de champ-limitée. La fusion des informations de mise au point est effectuée sur les images recueillies et produit une seule image, où la zone de mise au point est beaucoup plus large (figure 2E).
La fusion des informations de mise au point peut être mieux visualisé en mettant en évidence les zones de haute fréquence des images par le biais de focale tilt-série (pixels blancs dans la figure 2F, G et H). La ImageJ commande "Trouver Edges" nous a étéed dans la présente étude. Cette commande utilise un filtre Sobel pour détecter les changements dans les intensités des pixels voisins. Le déplacement de la zone à haute fréquence détectée peut être observée à partir d'une image à l'autre. Sur l'image où les informations de mise au point a été fusionné, les hautes fréquences couvrent la majeure partie de l'image (Figure 2I). Cette méthode permet la vérification du bon traitement de l'inclinaison de la série par le biais-focal.
Utilisation par le biais-focal tilt-série, des informations supplémentaires de mise au point sont collectées et utilisées pendant le processus de reconstruction 3D. Cela produit un plus grand contraste et SNR et réduit les effets de flou observés dans les reconstructions 3D de profondeur de champ limitée dans les images 15. Dans l' espace de Fourier, des informations supplémentaires est récupéré par rapport à un système de collecte d' inclinaison série classique, où seulement sur le plan focal est recueilli 13. Dans l'ensemble, la qualité dans l'ensemble 3reconstruction de D est plus isotrope par rapport à un système de collecte d'inclinaison série classique.

Figure 1: Tableau montrant les différentes étapes du protocole de préparation de l' échantillon biologique. Le protocole de préparation d'échantillon peut être divisé en quatre principales étapes. L'échantillon est A) fixé paraformaldéhyde et le glutaraldéhyde, B) de post-fixes dans du tétroxyde d' osmium et en contraste avec l' acétate d'uranyle, C) dans de l' éthanol déshydraté et D) noyée dans la résine. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Vérification de la reprise de la profondeur de champ. La récupération de la profondeur de champ-peut être vérifié sur les images d'un échantillon incliné. A) A 0 ° d' inclinaison, plusieurs détails peuvent être observés dans la poche flagellaire (poche Flag) de la cellule T. brucei résine incorporée. La poche flagellaire est situé dans le cytoplasme (Cyt) et la base du corps (BB) ancre le flagelle (Flag) à la membrane flagellaire. B, C et D) Trois images de la même poche flagellaire, incliné à 70 ° dans le microscope électronique, ont été acquises. Ils ont été recueillis à des intervalles de mise au point de 300 nm. E) Cette image a été générée par la profondeur de champ étendue ImageJ plugin et contient les informations de mise au point B, C et D. F, G, H et I) Ces images ont été calculées avec le "Find Edges" commande dans ImageJ pour Highlroite l'information à haute fréquence contenue dans B, C, D et E, respectivement. Les pixels blancs représentent les hautes fréquences, correspondant à des informations de mise au point. La barre d'échelle est de 250 nm. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Supplemental 1. Fichier S'il vous plaît cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Nous n’avons aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Ce rapport décrit un protocole de préparation d’échantillons et des conditions d’imagerie spécifiques pour effectuer la tomographie électronique à transmission à balayage d’échantillons biologiques épais.
Ce travail a été financé par deux subventions ANR (ANR-11-BSV8-016 et ANR-10-IDEX-0001-02). Nous remercions également le PICT-IBiSA de nous avoir donné accès à l’équipement d’imagerie chimique.
| Saline tamponnée au phosphate | Sigma-Aldrich | P4417 | |
| Éthanol | Sigma-Aldrich | 2860 | |
| Résine époxy | EMS | 14120 | |
| Paraformaldéhyde | Sigma-Aldrich | P6148 | Ajouter de la poudre de paraformaldéhyde au PBS chauffé à environ 60 ° ;C. Augmenter le pH en ajoutant 1 N de NaOH jusqu’à ce qu’aucune poudre PFA ne soit visible. |
| Glutaraldéhyde | Sigma-Aldrich | G5882² ; | |
| Tétroxyde d’osmium | EMS | 19150 | |
| Acétate d’uranyle | Sigma-Aldrich | 73943 | |
| Capsule de gélatine | EMS | 70110 | |
| Couteaux de coupe et d’histo | Distribution LFG Couteaux | diamantés Diatome | |
| Microscopie électronique Grille de cuivre | LFG Distribution | G200-Cu | |
| Stylo de revêtement de grille | LFG Distribution | 70624 | |
| Porte-échantillon | JEOL | EM-21311 Microscope électronique HTR | |
| JEOL | JEM-2200FS |