פרוטוקול זה מתאר את השלבים המפורטים להכנת דגימות רשתית עבור מיקרוסקופ אלקטרונים נפח, תוך התמקדות בתכונות המבניות של הדקי קולטני אור ברשתית.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
פרוטוקול זה מתאר את השלבים המפורטים להכנת דגימות רשתית עבור מיקרוסקופ אלקטרונים נפח, תוך התמקדות בתכונות המבניות של הדקי קולטני אור ברשתית.
מיקרוסקופ אלקטרונים נפח (Volume EM) התגלה ככלי רב עוצמה להדמיית המבנה התלת-ממדי של תאים ורקמות בדיוק ברמה ננומטרית. בתוך הרשתית, סוגים שונים של נוירונים יוצרים קשרים סינפטיים בשכבות הפרספקס הפנימיות והחיצוניות. בעוד שטכניקות EM קונבנציונליות הניבו תובנות יקרות ערך לגבי אברונים תת-תאיים ברשתית, המגבלה שלהם טמונה באספקת נתוני תמונה דו-ממדיים, שיכולים לעכב מדידות מדויקות. לדוגמה, כימות גודלן של שלוש בריכות שלפוחית סינפטיות נפרדות, החיוניות להעברה סינפטית, הוא מאתגר בדו-ממד. Volume EM מציעה פתרון על ידי אספקת נתונים תלת-ממדיים בקנה מידה גדול וברזולוציה גבוהה. ראוי לציין כי הכנת הדגימה היא שלב קריטי בנפח EM, המשפיע באופן משמעותי על בהירות התמונה וניגודיות. בהקשר זה, אנו מתווים פרוטוקול הכנת דגימה לשחזור תלת ממדי של מסופי אקסון קולטני אור ברשתית. פרוטוקול זה כולל שלושה שלבים מרכזיים: דיסקציה וקיבוע רשתית, תהליכי הטמעת דגימה ובחירת תחום העניין.
הרשתית עמוסה בצפיפות באקסונים עצביים ודנדריטים המשתלבים זה בזה ויוצרים סינפסות ביניהם1. מיקרוסקופיה היא כלי חיוני לחקר אנטומיה של הרשתית מכיוון שיש לה מבנים עדינים, מורכבים וקטנים. למרות שמיקרוסקופ אלקטרונים (EM) מספק כוח שאין שני לו לחקור את המבנה העל-תאי של אברונים תת-תאיים ואת הלוקליזציה המדויקת של חלבונים ספציפיים ברמה הננומטרית2, הוא מייצר תמונות המוגבלות למישור הדו-ממדי (2D), מה שמוביל לאובדן פוטנציאלי של מידע מפתח.
הפיתוח של טכניקות מתפתחות של מיקרוסקופ אלקטרונים בנפח ברזולוציה גבוהה (Volume EM) תומך במתן מידע מבני תלת מימדי (3D) מקיף יותר בקנה מידה גדול יותר. כמה שיטות EM 3D נבדקו לאחרונה על ידי אחרים 3,4,5. 3D EM מאפשר שחזור של צורה עצבית ופרטי קישוריות, ומאפשר ניתוח כמותי מדויק של מבנים מעניינים. זה מוכיח כי הנתונים המתקבלים על ידי נפח EM הם שיטתיים יותר, שלמים ומדויקים.
קולטני אור ברשתית, המהווים את הנוירונים הראשוניים באיתות חזותי 6,7, מקימים סינפסות עם דנדריטים של תאים דו-קוטביים ואופקיים מסדר שני במסוף הפוטורצפטור כדי להקל על אותות מעוררים 8,9. הדקים אלה, המכונים פדיקור חרוט ושרטוט מוטות, כוללים שלושה מרכיבים חיוניים: מיטוכונדריה, סרטים סינפטיים ובועיות סינפטיות. בעוד שמחקרים קודמים התמקדו בעיקר במבנה הכללי של סינפסות סרט, היה היעדר בולט של חקירה לגבי המבנה העדין של רכיבים עיקריים, כולל מיטוכונדריה, סרט, בריכות שלפוחית, והארגון המרחבי שלהם בטרמינלים 10,11,12,13. ניתוח מדויק ושיטתי של כל רכיב, יחד עם הבנה של הקשר ההדדי שלהם בתוך הדקי קולטני אור, חיוני לפענוח הארגון המרחבי ולתפיסה מקיפה של פונקציות עיבוד חזותי. בפוטורצפטורים, מיטוכונדריה נמצאים בעיקר במקטע הפנימי, בגוף התא ובטרמינל. התמקדנו כאן במיטוכונדריה בפוטורצפטורים הסופיים. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק קרן יונים ממוקדת (FIB-SEM), סוג של נפח EM המתגאה ברזולוציה גבוהה (x, y ו- z ברזולוציה < 5 ננומטר) ושטף נפח גדול יחסית 4,14, עומד ככלי רב עוצמה להדמיה מדויקת של המבנה התלת-ממדי של הדקי קולטני אור.
הן FIB-SEM והן Serial Block Face Scanning Electron Microscope (SBF-SEM) הם Volume EM המבוסס על SEM לקבלת תמונה של רקמות על ידי סריקת פני השטח של הדגימה. התכונות האולטרה-סטרוקטורליות של פני השטח של הדגימה מתגלות באמצעות הניגוד שנוצר על ידי עוצמת אלקטרונים משניים או מפוזרים לאחור (BSE) כאשר קרן האלקטרונים סורקת את הדגימה15. בעיקרו של דבר, זיהוי BSE או אלקטרונים משניים משטח החתך של דגימת רקמה משובצת שרף ב- SEM מאפשר קבלת תמונות של הדגימה המשובצת16,17. כאשר BSE או אלקטרונים משניים נוצרים פחות, ניתן לקבל מידע על משטח הדגימה בלבד. השגת ניגודיות עקבית ותמונות טוריות באיכות גבוהה מחייבת שיקוע מספיק של מתכות כבדות בדגימה. לכן, פרוטוקולים ספציפיים להכנת דגימות חיוניים לסגמנטציה עוקבת, שחזור תלת-ממדי וניתוח בעת שימוש ב-SEM להדמיה סדרתית. שיטת osmium-thiocarbohydrazide-osmium (OTO) היא ערכת הכנת דגימות טיפוסית למיקרוסקופ אלקטרונים תלת-ממדי של דגימות ביולוגיות, תוך שמירה על מבנה הממברנות המכילות שומנים ושמירה על ניגודיות טובה18,19.
כאן, פיתחנו את שיטת OTO להכנת דגימות רשתית לשימוש ב- Volume EM. תהליך זה מתמקד במיוחד בניתוח הרשתית, קביעת זמן הקיבוע האופטימלי לרקמת הרשתית ופירוט ההליכים ואמצעי הזהירות הספציפיים בהכנת דגימה תלת ממדית. בנוסף, סגמנטציה ושחזור תלת ממדי של מבנה היעד הם שלבים אינטגרליים ביישום מורחב זה. הרשתית, בהיותה מבנה קטן ומאתגר להשגת חומרים, דורשת פעולות מהירות ומדויקות עבור EM, עם זמנים קבועים וריאגנטים טריים מוכנים לשימוש מיידי.
פרוטוקולים לטיפול ושימוש בבעלי חיים אושרו על ידי ועדת האתיקה של האוניברסיטה הרפואית וונג'ואו ועקבו אחר ההנחיות שנקבעו על ידי האגודה לחקר ראייה ועיניים (ARVO). כל העכברים נשמרו במחזור אור של 12 שעות וחושך של 12 שעות וסופקו להם דיאטת צ'או סטנדרטית.
1. דיסקציה וקיבוע הרשתית
2. תהליך הטמעה לדוגמה
3. בחירת תחום העניין
איור 1A מראה את התמונה של הדקי קולטני אור ברשתית שהוכנו בשיטת הקיבוע הכימי הכפול המסורתית, ואיור 1B מראה את התמונה של הדקי קולטני אור ברשתית שהוכנו בשיטת OTO. שניהם נדגמו על ידי FIB-SEM. ניתן לראות בבירור כי מבנה קרום התא יכול להישמר ככל האפשר באמצעות שיטת OTO, ואפילו את קווי המתאר של שלפוחיות ניתן לראות בבירור. בנוסף, הניגודיות של תמונות המתקבלות באמצעות שיטת OTO הוא גם ברור יותר.
איור 2 מדגים את זרימת העבודה הניסויית ששימשה לשחזור המאפיינים האולטרה-מבניים של הדקי קולטני אור. השחזור התמקד בארבעה סוגים של הדקי פוטורצפטור, כולל פדיקלים M-cone, פדיקלים S-cone, rod1 spherules ו-rod2 spherules. הדגש העיקרי היה על רכיבים חיוניים, כגון מיטוכונדריה, סרטים סינפטיים ובריכות שלפוחיות סינפטיות בתוך הדקי קולטני האור.
איור 3 מציג את המיטוכונדריה המשוחזרת ואת הסרטים הסינפטיים בהדקי קולטני האור של המוט. יש לציין כי הסרטים הסינפטיים של הספרול rod2 מציגים צורת פרסה ייחודית, הכוללת בדרך כלל סרט יחיד לכל ספרול. יתר על כן, איור 2 מדגיש את נוכחותם של שני מיטוכונדריה בתאי מוט, עם מיקום עקבי בתוך החלל המרכזי של הטרמינלים, הממוקם מעל הסרטים הסינפטיים. כל המבנים אותרו ידנית, דף אחר דף.

איור 1: דוגמאות לתמונות שנדגמו באמצעות FIB-SEM עבור שיטת קיבוע כפול כימית מסורתית ושיטת OTO. (A) שיטת קיבוע כפול כימית מסורתית. (B) שיטת OTO. סרגל קנה מידה: 1000 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: תהליך עבודה של שחזור תלת-ממדי עבור מסופי קולטני אור באמצעות FIB-SEM. לאחר יישור באמצעות תוכנה להדמיית נתונים תלת-ממדית, התמונות הטוריות חולקו באופן ידני ועובדו לניתוח נוסף. (A) תמונות סדרתיות מקוריות. (B) תמונות מיושרות. (C) תמונות מקוטעות. (D) תמונות משוחזרות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: שחזור תלת-ממדי. תמונות השחזור התלת-ממדיות המייצגות מתארות הדקים של קולטני אור בלבן, מיטוכונדריה בכתום וסרטים סינפטיים בכחול. סרגל קנה מידה: 500 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
יישמנו את פרוטוקול הכנת דגימות Volume EM של OTO כדי לנתח את המבנה הסופי של הפוטורצפטורים ברקמת הרשתית. ההתמקדות הייתה בפירוט ההליך כולו, החל מהניתוק והקיבוע של הרשתית ועד להצגת התוצאות של שחזור תלת ממדי של מסופי אקסון קולטני אור.
התכונה הייחודית של רקמת הרשתית, בניגוד לרקמת המוח, טמונה בהיעדר הבדלים אזוריים. הרשתית, המורכבת משלוש שכבות של גופי תאים עצביים ושתי שכבות של קשרים סינפטיים, מציגה מבנה סדיר והיררכי למרות מורכבות מרכיביה העצביים והסינפטיים20. בניתוח הרשתית, הכרחי לוודא שהרצועות הדקות ממוזערות כדי להבטיח ניגודיות אחידה בשלבי הכנת הדגימה הבאים. מסופי האקסון הפוטורצפטור, מבנים קריטיים בעלי עניין, ממוקמים בשכבת הפרספקס החיצונית (OPL) של הרשתית. האופי ההיררכי והמאורגן של הרשתית מאפשר לוקליזציה יעילה של מבני המטרה, מאפשר דגימה מדויקת במהלך EM ומבטיח את הדיוק של תוצאות השחזור התלת-ממדי הבאות.
נפח EM מאפשר הדמיה תלת ממדית של מעגלים עצביים מקומיים וקשרים סינפטיים בתוך הרשתית בקנה מידה ננומטרי, תוך שימוש במקטעים טוריים21,22. טכניקה זו מאפשרת יצירה אוטומטית של תמונות תלת-ממד ברזולוציה גבוהה, ו-FIB-SEM טומן בחובו פוטנציאל לחשוף פרטים מורכבים של פעילויות פיזיולוגיות ופתולוגיות כאחד. לכן, שמירה על ניגודיות תמונה יציבה לאורך כל הבלוק היא קריטית בתהליך הכנת הדגימה. כדי להשיג מוליכות אחידה, אנו משתמשים בשיטת OTO ההטבעה מראש, גישה קלאסית המוכרת ביעילותה בשיפור הניגודיות במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM)18,23,24. שיטה זו כוללת ציפוי אוסמיום כפול בשילוב עם thiocarbohydrazide, מה שמבטיח מוליכות אופטימלית בתפזורת עבור דגימות גדולות. בנוסף, הטיפול באוסמיום הכפול תורם לשימור מעולה של מבני קרום השומנים, ומוסיף שכבת דיוק לחקירותינו. דגימות הרשתית היררכיות, גושי הרקמה קטנים וקלים לחדירה, ושיטת OTO יכולה לשמור על קווי מתאר טובים יותר של קרום התא וניגודיות תמונה אחידה.
מספר גורמים קריטיים תורמים להצלחת פרוטוקול זה. ראשית, קצירת רשתית מהירה וזמני קיבוע מדויקים הם בעלי חשיבות עליונה לשמירה על מבנה תת-תאי אופטימלי. שנית, הבטחת ריכוזים מתאימים של אוסמיום ותיוקרבוהידרזיד חיונית לשימור הניגודיות במבנה הממברנה של תמונות הסדרה. אוסמיום, בפרט, משחק תפקיד מכריע על ידי קשירה עם מולקולות שומנים, שיפור אות BSE.
פרוטוקול הכנת דגימת הרשתית שלנו ידידותי למשתמש, אינו דורש ציוד נוסף ומקצר את זמן העיבוד. מאפיין זה מדגיש את הישימות הפוטנציאלית שלו לטכניקות EM אחרות של נפח, ומציע רב-תכליתיות וקלות אימוץ במערכי ניסוי מגוונים. השיטה של OTO משפרת באופן משמעותי את הניגודיות של תמונות FIB-SEF. עם זאת, הפרטים על קרום התא, במיוחד המבנה הדו-שכבתי, עשויים עדיין להיראות מטושטשים במקצת. תוכנית הכנת הדגימות הנוכחית שלנו כוללת הקרבה מסוימת של פרטים קטנים במבנה התא במידה מסוימת. אנו שואפים לפתח שיטות אופטימליות בעתיד כדי לטפל ולשפר מגבלה זו.
למחברים אין גילויים.
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי מענקים מהתוכנית הלאומית למחקר ופיתוח מפתח של סין (2022YFA1105503), מעבדת המפתח הממלכתית למדעי המוח (SKLN-202103), קרן ג'ג'יאנג למדעי הטבע של סין (Y21H120019).
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 2,2,2-Tribromoethanol | Sigma-Aldrich | T48402 | |
| אצטון | אלקטרונים מיקרוסקופיה מדע | 10000 | |
| אמירה 6.8 | תרמו פישר מדעי | ||
| CaCl2 | Sigma | C-2661 | |
| עובש הטמעה | בייג'ינג Zhongjingkeyi טכנולוגיה | GP10590 | |
| Epon מדע | מיקרוסקופיה אלקטרונית | 14900 | |
| אתנול | סיגמא | 64-17-5 | |
| מיקרוסקופיה אלקטרונית | גלוטראלדהיד | 16020 | |
| Helios NanoLab 600i קרן כפולה SEM | FEI | ||
| חומצה אספרטית L-אספרטית | סיגמא | 56-84-8 | |
| עופרת חנקתית | סיגמא | 10099-74-8 | |
| Na2HPO4.12H2O | Sigma | 71650 | רכיב של מאגר פוספט |
| NaH2PO4. H2O | Sigma | 71507 | רכיב של מאגר פוספט |
| OsO4 | TED PELLA | 4008-160501 | |
| Paraformaldehyde | Electron Microscopy Science | 157-8 | |
| אשלגן פרוציאניד | Sigma | 14459-95-1 | |
| נתרן קקודילאט | סיגמא | 6131-99-3 | |
| ציפוי מקרטע | Leica | ACE200 | |
| Thiocarbohydrazide | Sigma | 2231-57-4 | |
| אורניל אצטט | TED PELLA | CA96049 |