מאמר זה מתאר את היישום של מיקרוסקופיה האלקטרונית cryoanalytical למדידת כמותית של תוכן הכולל סידן והפצה ברזולוציה subcellular בדגימות ביולוגיות מוגדרות מבחינה פיזיולוגית.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
מאמר זה מתאר את היישום של מיקרוסקופיה האלקטרונית cryoanalytical למדידת כמותית של תוכן הכולל סידן והפצה ברזולוציה subcellular בדגימות ביולוגיות מוגדרות מבחינה פיזיולוגית.
במאמר זה את הכלים, טכניקות, והכלים מתאימים למדידות כמותיות של תוכן יסודות תאיים באמצעות הטכניקה המכונה microanalysis אלקטרון הבדיקה (EPMA) מתוארים. סידן הוא Intramitochondrial דגש מיוחד בגלל התפקיד הקריטי שעומס יתר סידן המיטוכונדריה משחק במחלות ניווניות. השיטה מבוססת על הניתוח של קרני ה-X שנוצר במיקרוסקופ אלקטרונים (EM) על ידי אינטראקציה של אלומת אלקטרונים עם הדגימה. על מנת לשמור על הפצת יליד אלמנטי diffusible בדגימות מיקרוסקופית אלקטרונים, EPMA דורשת "cryofixation" של רקמה אחרי הכנת cryosections Ultrathin. הקפאה מהירה של תאים בתרבית או תרבויות הפרוסה organotypic מתבצעת על ידי הצעד ההקפאה באתאן הנוזלי או על ידי הקפאת טריקה נגד גוש מתכת קר, בהתאמה. Cryosections נומינלי 80 ננומטר העבה נחתכים יבש עם סכין יהלום בCA. -16076, C, רכוב על פחם / רשתות נחושת מצופה pioloform, וcryotransferred לcryo-EM באמצעות בעל cryospecimen מיוחד. לאחר סקר חזותי ומיפוי מיקום ב≤ -160 מעלות צלזיוס ומינון אלקטרונים נמוכים, cryosections קפוא התייבשות הם ב-100 מעלות צלזיוס במשך ~ 30 דקות מיובשים בהקפאה. תמונות ברמת אברון של cryosections המיובש נרשמות, גם במינון נמוך, באמצעות מצלמת CCD איטית סריקה ואזורי subcellular של העניין נבחר לניתוח. קרני ה-X הנפלטת מROIs ידי ממוקדת, אלקטרון בדיקה נייחת, בעוצמה גבוהה נאספות על ידי רנטגן באנרגיה נפיצה ספקטרומטר (edx), מעובד על ידי האלקטרוניקה קשורה, ומוצג כספקטרום ה-X, כלומר, עלילה של עוצמת קרני ה-X לעומת אנרגיה. תוכנה נוספות מאפשרת: 1) זיהוי של מרכיבים יסודיים על ידי האנרגיות שלהם "האופייניות" לשיא וטביעת אצבע; ו2) ניתוח כמוני על ידי מיצוי של אזורי שיא / רקע. מאמר זה מסכם בשתי דוגמאות הממחישות טיפוסייישומי EPMA, אחד שבו ניתוח סידן המיטוכונדריה סיפק תובנה קריטית לתוך מנגנונים של פגיעת יתר רעילה ועוד, שחשפו את הבסיס של התנגדות איסכמיה.
יוני סידן הוא ללא ספק ישות תא איתות החשובה והמגוונים ביותר בביולוגיה, ששיחק תפקיד חיוני בתהליכים נורמלים מגוון כמו שידור סינפטי וביטוי גנים. מצד השני, סידן חשוב באותה מידה במוות של תאים. בפרט, הסרת הפיקוח סידן הוא גורם מפתח בפגיעה עצבית בשבץ מוחי, פרקינסון, אלצהיימר ומחלות ניווניות אחרות 3,5. לכן, חשוב באופן קריטי להבנת כמותית כמה סידן מופץ בתוך תאים, ואיך זה משתנה בעקבות גירויים פיסיולוגיים או pathophysiological. מטרה זו היא מסובכת בשל העובדה כי סידן מופץ באופן דינמי בין שתי מדינות פיזיות - חופשיות בפתרון או קשורה למצע - וכי ריכוזי סידן תאי לשנות פני כמה סדרי הגודל כתוצאה מגירוי.
אמנם יש מספר שיטות מתקדמות זמינות עבור הניתוח של free סידן תוך תאי, קביעת ריכוזי סידן הכולל בתאים תאיים מוגדרים מוגבלת באופן מציאותי לגישה אחת, כלומר, microanalysis אלקטרון הבדיקה (EPMA). EPMA היא טכניקה שזוגות ספקטרומטר X-ray למיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM). תותח האלקטרונים TEM מתמקד אלקטרון בדיקה נייחת, submicron באזור subcellular של ריבית וקרן ה-X האלמנט ספציפי הנפלטת כתוצאה מהפגזת אלקטרונים שנאספו ונותח (ראה אזכור 7, 4 לביקורות טכניות מפורטות). יתרונותיו של EPMA כוללים רזולוציה ברמת אברון אחת ורגישות submillimolar. בפועל, עם זאת, דורשת EPMA cryotechniques מיוחד ומכשור להכנת דגימה וניתוח. הנה, את הכלים, הטכניקות והמכשירים מתאימים למידות של סידן תוך שימוש בEPMA מתוארות. סידן הוא Intramitochondrial של i המיוחדתnterest על חשבון התפקיד הקריטי שמחזות עומס יתר סידן המיטוכונדריה במחלות ניווניות.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הגישה המתוארת כאן פותחה תוך שימוש במכשירים ספציפיים, כלים ותוכנות. משום שמעבדות לא תהיה באמצעות ההתקנה ניסיונית את גישתו כללית במידת האפשר.
1. הקפאה מהירה
השיטה אנליטית ללהיות מתואר היא תלויה לחלוטין בגישות קריוגני ל: 1) "cryofixation" של תאים או רקמות באופן שמשמר את כמותית ההפצה של רכיבי רקמות diffusible ויסודות כימיים כפי שהיו בתאי חיים ברגע של הקפאה , ו 2) הכנת ultrathin cryosections מתאימה להדמיה וניתוח בTEM. טכניקות אלו מתוארות כאן בקצרה, אבל פרטים נחוצים כדי לשחזר נהלים אלה במעבדות אחרות הם מעבר להיקף של מאמר זה. קוראים מעוניינים מופנים למאמרים האחרונים מצוינים 9,14.
זהירות: סעיף זה מתאר את השימוש בסבון נוזליאתאן efied, שהוא דליק מאוד ונפיץ; יש לנקוט באמצעי זהירות מתאימה. גם מפעיל חייב להיות מוכר עם חנקן נוזלי (LN 2) אמצעי בטיחות, כולל מעיל מגן מעבדה, משקפיים, כפפות וcryoresistant. הערה: פה ולאורך כל דרך, כל הכלים (מלקחיים, וכו ') המשמשים לטיפול בדגימות קפואות חייבים להיות precooled בLN 2 לפני השימוש, כדי למנוע הפשרה מקרית.
תאים בתרבית על coverslips
הקפאה מהירה של פרוסות מוח בתרבית
2. Cryosectioning
אזהרה: בהצלחה בהפקת סרטים בחיתוך היבש של חלקים דקים במיוחד, ואילו פשוט והגיוני, דורש אימון, סבלנות ותרגול רב.
3. Cryotransfer של דוגמאות למיקרוסקופ אלקטרונים
מכשיר הליבה לEPMAבמעבדה זו הוא מיקרוסקופ אלקטרונים אנליטית המופעל ב120 KV ומצויד לcryomicroscopy, כלומר, נועד עם ואקום נקי, anticontaminator דגימה באזור, מצלמה דיגיטלית רגישות גבוהה 2k x 2k ובעל דגימת cryotransfer. בדקו מראש יישור מיקרוסקופ ותנאי הפעלה בשני מצבים נמוכים וגבוהה בהגדלה ולאשר ואקום עמודה משביע רצון, באופן אידיאלי ≤ 10 -7 טור. כוון את צורך.
4. סקר חזותי של סעיפים
5. הקפאת ייבוש של סעיפים
6. הדמיה של תאים ואברונים
תמונות מבניות של חלקים מיובשים בהקפאה מתקבלות בחברת CA. -160 ° C כמו במינון נמוך, תמונות אפס הפסד שנרשמו באופן דיגיטלי באמצעות מצלמת CCD איטי סריקת 2k x 2k נשלטת על ידי תוכנה מתאימה.
7. רכישת רנטגן ספקטרה
ספקטרום ה-X ניתן להקליט באמצעות כל כמה מסחרי או אישית מעוצב רנטגן מערכות ניתוח מינימאלי בהיקף של גלאי אנרגיה נפיצה רנטגן (edx), אלקטרוניקה דופק מעבד קשורה ורכישת תוכנה והתצוגה תואמת. (המערכת בשימוש במעבדה זו מתוארת בטבלה 1).
8. ניתוח של קרני ה-X ספקטרה
ניתוח איכותי
ספקטרום EDX (איור 2, הבלעה) הוא למעשה עלילת XY של עוצמת קרני ה-X לעומת אנרגיה. ספקטרה להכיל מידע איכותי וכמותי על הרכב היסודות של tהוא ניתח את עוצמת קול, שבאנרגיה "האופיינית" של שיא מזהה את האלמנט הוליד שיא שבעוד עוצמת משקפת את הסכום של רכיב זה. הפסגות האופייניות לרכב על גבי רקע משתנה באיטיות, "הרצף". (האגדה באיור 2 נוספת דנה בפרטים בולטים של ספקטרום EDX.) האנרגיה של יריעות השיא לטבלה המחזורית כולו מוגדרות על ידי המבנה הידוע האלקטרוני של אלמנטים, ובכך כל קישורי תוכנת EDX למסד נתונים שמזהה באופן אוטומטי רכיבים של אנליטי. בהקשר פיסיולוגי, אלמנטים של אינטרס כללי כי הם גם מתאימים לניתוח edx כוללים Na (α K ב1.04 Kev), P (2.01 Kev), K (3.31 Kev), וCa (3.69 Kev).
ניתוח כמותי
ניתוח כמותי של ספקטרום EDX המורכב של חילוץ באזור המשולב של פסגות מזוהות והמרת הערך הזה לריכוז. לניתוח ביולוגי, הגישה שנקבעה היא שיטת הול שיא / רצף 4,7,10, שמנצלת את העובדה שעוצמת הרצף (שהוגדר לעיל ובאיור 2) היא פרופורציונלית למסה היבשה של הנפח ניתח . לפיכך, היחס בין שטח האזור / רצף שיא, בהשוואה לאותו היחס בספקטרום של סטנדרטים של הרכב ידוע, מציין את הריכוז בתא הסלולרי הממוקד. שים לב שגישה זו מספקת ריכוזים ביחידות של שומות לפי משקל, בדרך כלל באו לידי ביטוי כמשקל יבש מילימול / קילוגרם. יחידה זו היא יוצאת דופן ופרשנות עשוי לדרוש המרה נוספת ל, למשל, משקל רטוב mmol / L או מילימול / חלבון מ"ג, כפי שתוארה אלsewhere 4,10.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תאים במוח בדרך כלל לקיים פציעת יתר רעילה כתוצאה משחרור הנוירוטרנסמיטר פתולוגיים המתרחש בתנאי איסכמי. EPMA הייתה קריטית כדי לגלות כיצד היכולת של המיטוכונדריה העצבית כדי לעקל כמויות אדירות של סידן עומדת בבסיס המנגנון של פציעה. מיקרוסקופ האלקטרונים באיור 3 ממחיש את המראה של המיטוכונדריה בcryosections המיובש בהקפאה של תאי עצב בהיפוקמפוס בתרבית הוקפא במהירות לאחר 30 חשיפת דקות לגירוי יתר רעיל (100 מיקרומטר NMDA). רוב מיטוכונדריה מופיעה להיפגע מבחינה מבנית, כפי שהם נפוח...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
שיטת האלקטרונים המבוסס על מיקרוסקופ האנליטיות שהוצגה כאן מאפשרת לגילוי, זיהוי והכימות של כמה אלמנטים של עניין ביולוגי, כוללים Na, K, P, ובמיוחד Ca. ניתן לבצע ניתוחים אלה יצאו בsubcellular, כלומר, תוך אברון, רזולוציה בשל היכולת לאתר ולזהות מבנים של עניין בתמונות באיכות גבוהה של cryosections הוכן מדגימות מוקפאות במהירות. שים לב שאין צורך בצביעה להקליט תמונות אלקטרונים דומות באיכות מבנית להכנות קבועות כמקובל, משובץ פלסטיק, אפילו בזמן שהמיקום של אלמנטי רקמה נשמר כמותית.
<...הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים מדווחים על היעדר ניגוד עניינים.
ברצוננו להודות לגב 'כריסטין א ינטרס לקבלת סיוע טכני מעולה. עבודה זו נתמכה על ידי התכנית למדעי המוח הבסיסית של תכנית NINDS המחקר העירונית, NIH (Z01 NS002610).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| <חזק>ריאגנטים/חומרים | |||
| Thermanox כיסויי פלסטיק | Thermo Fischer Scientific | 72280 | |
| מוסיף תרבית | BD Falcon | 353090 | לצלחות 6 בארות |
| Cryopins | Leica Microsystems | 16701952 | |
| יישומי עץ | EM Sciences | 72300 | |
| רשתות EM מתקפלות | טד פלה | 4GC100/100 | 100 רשת |
| רדיד אינדיום | אלפא Aesar | 13982 | 0.25 מ"מ עובי |
| <חזק>ציודצלילה | |||
| מכשיר הקפאה | Leica Microsystems | KF-80 | |
| Slam מכשיר הקפאה | LifeCell | CF-100 | |
| Ultramicrotome | Leica Microsystems | UC6 | |
| Cryoattachment עבור microtome | Leica Microsystems | FC6 | |
| יהלום cryotrimming כלי | דיאטומת | Cryotrim 45 | |
| יהלום cryoknife | דיאטום | Cryo 35 | |
| מכשיר אנטי סטטי | Diatome | Hauf קו | |
| Cryo מיקרוסקופ אלקטרונים | קרל זייס מיקרוסקופיה | EM912 אומגה | |
| מחזיק דגימת קריו EM | Gatan | CT3500 | |
| מצלמת CCD בסריקה איטית, 2k x 2k | Troendle (TRS) | תוכנה | |
| Olympus SIS | iTEM חבילת | ||
| גלאי רנטגן ED Oxford | Instruments | Linksystem מעבד דופק Pentafet | |
| Oxford Instruments | XP-3 | ||
| PCI לוח אחורי כרטיס | 4pi Systems | Spectral Engine II | |
| מחשב שולחני | Apple | כל דגם | |
| תוכנת ניתוח רנטגן | NIST | DTSA, DTSA II | |
| תוכנת גיליון אלקטרוני | Microsoft | Excel | |
|
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.