2 つのサンプル処理技術、高圧凍結を組み合わせることのためのプロトコルの紹介、マイクロ波試料処理は続いて集束イオンビームのビーム走査型電子顕微鏡 (FIB SEM) を使用してデータを取得するための埋め込み最小限の樹脂。マウス脛骨神経のサンプルと線虫を使用してこれを示します。
方法論記事
2 つのサンプル処理技術、高圧凍結を組み合わせることのためのプロトコルの紹介、マイクロ波試料処理は続いて集束イオンビームのビーム走査型電子顕微鏡 (FIB SEM) を使用してデータを取得するための埋め込み最小限の樹脂。マウス脛骨神経のサンプルと線虫を使用してこれを示します。
説明サンプル調製法、集束イオンビーム ビーム走査電子顕微鏡 (FIB SEM) を取得するために使用のイメージ投射様相の最も適切なコントラストで微細構造の保存の最高の品質を結合する設計されています3次元形状復元とモデリングのための連続画像のスタック。凍結 (HPF) ネイティブの構造保持に近いがその後の凍結置換頻繁に高圧に対して行わないこと十分なコントラストは、特に 3 D に必要な SEM で高品質なイメージングに必要なより大きい標本復興。したがって、このプロトコルで凍結置換後追加の対照的な手順で実施されて部屋の温度。電子レンジでは、これらの手順を実行がまた長い培養時間を必要とする従来のベンチ処理に従うことです。樹脂の最小限の量でその後埋め込みより速くより正確なターゲットと FIB SEM 内準備このプロトコルは、信頼性の高い微細構造の保全のための高圧の凍結による準備を必要とするが SEM. FIB を用いたボリューム イメージングにおける凍結置換の間に十分なコントラストを得るかサンプルの場合に特に便利最小限の樹脂埋め込みと組み合わせて、このプロトコルは高品質ボリューム データの集録に効率的なワークフローを提供します。
高圧凍結は、高品質微細構造の保存、化学固定法1を用いた従来製法よりサンプルの本来の状態を表すを取得する選択のサンプル調製法です。この低温調製法、サンプル有髄マウス組織2や線虫3モデル有機体の使用のための厳格な要件などに役立ちます。凍結置換と樹脂を埋め込み後、これらのサンプルは通常透過型電子顕微鏡 (TEM) または電子線トモグラフィー (ET) によって分析されます。場合は、大きなボリュームは、SEM による適切なイメージングがコントラストの欠如によって妨げられて多くの場合経験の大規模な高解像度 3 D 再構成の FIB SEM またはシリアル ブロック顔画像を使ってイメージ化される必要があります。FIB SEM のイメージは通常一次電子ビームからの後方散乱電子の検出によって記録されます。後方散乱電子の量は試料中の重金属の内容に比例します。したがって、プロトコルによって設計された画像のコントラストを高めるためにボリュームの追加重金属含浸。このようなメソッド化学的固定サンプルに基づいてナッツら5、シリアル ブロック顔で説明されているように四酸化オスミウム-四酸化オスミウム-thiocarbohydrazide4の組み合わせを適用および集束イオンビーム走査電子顕微鏡。フォルムアミドおよびピロガロール6または鉛アスパラギン酸7の使用を含む変更は、正常に別のイメージング技術を適用されています。
ここで提供されるプロトコルは、HPF による試料の低温作製を結合し、凍結置換後マイクロ波室温アセトンに四酸化オスミウム/thiocarbohydrazide を使用して拡張されたコントラストの処理します。我々 は有髄神経の脛骨と線虫マウスの高品質微細構造保全のため凍結高圧が必要なサンプルを表すにこれを示します。さらに、方法については、脱水、浸透後サンプルとして埋め込まれていると可能な限り小さなガレージを示した。8を埋め込むこの最小限の樹脂は興味の構造の高速ターゲット、およびイオンビームで関心領域を公開するために必要な以下の時間を含むサンプル処理に費やす時間を削減できます。さらに顕微鏡の中のサンプル準備の手順を実行した後画像とサンプルの加工は継続的に実施画像のスタックを取得します。3 D 可視化のため画像処理ソフト (技術) を使用して、データセットの部分を再構築します。
当社のワークフローでは、HPF と凍結置換による、最高の微細構造保全とサンプル ボリューム イメージングのための最も適切な対照的なを組み合わせてできる方法について説明します。これは厳密にクライオ準備を必要とする試料に対して効果的です。アプリケーションは、HPF で準備することができます小さなサンプルに制限されます。植物や微生物などの異なる性質のサンプルこのプロトコルには、適応が必要です。
ここで説明した動物からサンプルを含むすべての実験は、顧客保護および食品安全性 (ラーベス) 機関動物ケアおよび低いザクセンの州のオフィスによって承認されています。
1. 高圧凍結と凍結置換
2. マイクロ波処理
注: はすべて室温12温度を安定に保つために温度コントロール ユニットを使用して次の手順の実行 (材料の表を参照してください)。
3. 最小限の樹脂8を埋め込み
4. FIB SEM のための準備
5 FIB SEM 内データ集録
6. データの可視化
(ここでは、新たに切り裂かれたマウス神経脛骨) サンプルのワークフローが開始される高圧凍結 (図 1 a) のための金属のキャリアに置かれています。キャリアは、液体窒素 (図 1 b) から回復し、冷凍最初化学カクテル (図 1 c) の上に凍結置換装置に配置されます。長い凍結置換プロトコル 2% の四酸化オスミウムと 0.1% の酢酸ウランを含む、室温 (図 1 d) でキャリアからサンプルが削除されます。コントラストをさらに高めるためには、サンプルは、(図 1e) 電子レンジで処理されるプラスチック チューブに転送されます。真空チャンバーと温度コントロール ユニットは、プロセス (図 1 f) を最適化するために使用されます。
つまようじとプラスチック フィルムのシートを必要最小限の樹脂埋め込みを実行することができるには、(図 2 a)。電子レンジを用いたレジンによるサンプルを浸潤後プラスチック フィルムの部分に配置、試料表面に樹脂が残っていないまで移動します。ハロゲン ランプは、残りの樹脂を排出し、プラスチックのフィルムに (図 2 b) 最小埋め込みサンプルを残すために使用されます。サンプルの上部から削除より多くの樹脂が良好であることに注意してください。少量の基板に接続するサンプルの下に残ってする必要がまだあります。重合プラスチック フィルムのサンプルをカットして銀導電性樹脂 (図 2 c) SEM スタブの上にマウントされています。60 ° c (図 2 d) 少なくとも 4 h のスタブを重合します。コンポーネントを徹底的に混合する必要があります。 または混合物可能性があります正しく重合していないので。走査型電子顕微鏡中充電を避けるため、スタブではスパッタ コーティング ゴールドまたはプラチナ/パラジウム (図 2 e)。
サンプルを FIB SEM に配置し、(図 3 a, e) の関心領域を対象とする二次電子検出器をイメージします。イオン ビームを使用して、断面 (図 3b-d 3f h) を公開する関心領域の前に直接材料を除去します。強化されたプロトコルを提供強力な膜コントラスト (図 3 c-d 3 g h) に対し標準プロトコルはしばしば膜コントラスト (図 3 b, f) の欠如から苦しみます。
(後処理) 後 EM データは、IMOD、イメージ処理およびプログラムのモデル化を使用して可視化します。、3次元情報の理解を達成するためにデータの仮想作成が使用されます (図 4 a)。データセットの異なる構造が手動で分割されます (図 4 bd)。

図 1: 高圧凍結・凍結置換・ マイクロ波処理します。(a) マウス神経脛骨を含むキャリアのサンプル、スケール 3 mm (b) サンプル キャリア高圧凍結、バー mm 3。 (c) 自動凍結置換 (AFS) 単位のサンプル後マウス神経脛骨を含むバー。Inset: 最大 23 サンプル瓶や AFS の化学物質を含む 2 つの大規模なバイアルの特注金属コンテナーです。(d) サンプルのアセトン、ガラス皿でキャリアから削除されるスケール バーの 3 mm. (e) 処理を電子レンジに入れられる反作用の管のサンプル。電子レンジの (f) 真空チャンバ、温度制御ユニット。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2: 最小限の樹脂を埋め込むと FIB SEM のための準備(スケール バー 4 cm。 (b) 神経脛骨がスケール バー 250 μ m (c) 顔面神経脛骨プラスチック フィルムに重合し、カットの SEM スタブ上部に取り付けられた、プラスチック フィルムの上にガレージの排水 a) プラスチック フィルム、最小限の樹脂埋め込み用つまようじ 銀の導電性樹脂、バーの 250 μ m (d) 試料の SEM のスタブは、スケールの上に重合スケール バー 3 mm. (e) SEM スタブ、スケールに金をコーティングしたサンプル 3 mm バー。この図の拡大版を表示するにはここをクリックしてください。 。

図 3: FIB SEM 内サンプルの準備(、および e)サンプルの FIB SEM 内二次電子像イメージングのため (a)顔面神経の脛骨筋、スケール バー 100 μ m. (e) c. の elegansスケール 2 μ m. (b d) と (f ・ h) 断面 ESB 検出器を用いたサンプルをバーの表面します。(b と c)顔面神経の脛骨筋、スケール バー 2 μ m. (f および g) c. の elegans、スケール バー 1 μ m および 200 nm。(b と f)他のすべての画像は、強化された凍結置換の結果を示すに対し、高圧凍結・凍結置換機能強化も結果は示しています。(d と h)ESB 検出器を用いたサンプルの詳細なイメージ。(d) 顔面神経脛骨、スケール バー 200 海里にあります。(h)線虫、スケール バー 200 海里にあります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 4: 画像取得・視覚化します。(IMOD に示す a) EM データ事実上 x 断 z と y/z 平面規模の 2 μ m (b) 分割バー/EM データ (青)、レマック バンドル (赤)、髄鞘 (黄色とオレンジ)、ミトコンドリア (ターコイズ ブルー)、軸索は 2 μ m. (c と d) 3 d モデル、スケール バー 2 μ m、500 スケール nm。.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
最適な保全と FIB SEM を使用シリアル ブロック顔イメージングを実行するコントラストを説明するために開発されたプロトコルため、凍結置換とマイクロ波処理を用いた染色後に続いて低温固定化を適用しました。したがって、このプロトコルは、高圧の凍結には十分に小さいサンプルに制限されます。この手法で正しく固定できるサンプル サイズに一致するサンプルのキャリアのサイズによって幅 3 〜 6 mm のサイズ制限と 〜 200 μ m の厚さを設立します。坐骨神経は適切な凍結を確保するために必要な 0.2 mm のキャリアに合わせて直径が大きすぎるので、これはマウスの神経のサンプルに関連します。したがって、脛骨神経や大腿神経など他の細い神経などの小さな神経の慎重な郭清をお勧めします。髄鞘はストレッチに敏感なため、成果物を処理を避けるために新鮮な実行可能な神経の解剖時に細心の注意する必要があります。一般に、実行可能なサンプルだけを使用して、電子顕微鏡研究ください。
マイクロ波を用いた処理と最小限の樹脂埋め込み準備を高速化およびプロセスをターゲットに設計されています。常温化学固定のため変更された OTO プロトコル4を適用するマイクロ波処理が使用されます。電子レンジの均一な分布はありませんので、その温度が制御されていない適用ことができる真空はない、家庭用の電子レンジは同じ結果を得られません。小さいサンプル、; 化学物質のより良い浸透したがって、小さいサンプルで最良の結果を実現します。サンプルへの損傷を避けるためには、過熱、温度制御と最小限必要なマイクロ波電力のアプリケーションは、重要です。ベンチの処理時間が長くなることにつながる、電子レンジがない場合、マイクロ波処理手順を実行できます。SEM で対象の直接構造物サンプルの上部からできるだけ多くの樹脂を除去することが重要です。データセットを記録した後 raw データの後処理はファイルのサイズを削減し、信号対雑音比を向上させるために必要です。モダンなボリューム イメージング技術は、大量のデータを生成します。したがって、迅速かつ十分な方法でデータの処理を実行するワークステーションに十分な RAM が必要です。配置操作データセットのサイズとして、少なくとも 2 倍の RAM が必要です。
このプロトコルはc. の elegansのようにマウスと同様の神経脛骨でテストされています。Hall ら.12同じようなエンハンスメント ステップ ベンチにその凍結置換後の調製に使用線虫。ゼブラフィッシュなど他のモデル生物のプロトコルの調整が必要があるでしょうです。可能な変更の 1 つはコントラスト強化18に使用される水の添加によって凍結置換カクテルなどの構成を変更します。また、凍結置換の期間はサンプルに適応するが、急速凍結置換プロトコル19によると大幅に短縮することができます。1 つの可能性は、攪拌凍結置換プロセス20を加速するためのアプリケーションです。凍結置換後さらに変更が可能、化学物質と四酸化オスミウム21強化の繰り返されるアプリケーションなどです。電子レンジ処理中にそれぞれのサンプルの結果を最適化するためには温度、培養時間、および電源設定を変えることができます。
このプロトコルは、他の凍結置換プロトコルとシリアル ブロック面走査型電子顕微鏡、FIB SEM のイメージはサンプル ホール12のとおり各種併用そのような拡張することができますを示しています。これらのイメージングでは、拡張コントラスト、透過型電子顕微鏡には重要である必要があります。
利害の対立が宣言されていません。
クラスターの卓越性とドイツ研究振興協会 (DFG) 研究センター ナノ顕微鏡と分子生理学脳 (CNMPB) は FIB SEM と a. s. (FIB SEM オペレーターの位置) を賄われています。ラボのトーマス ・ ミュラー-ライヘルトにc. の elegansサンプル.を提供ありがとうウルリッヒ ・ ワイケルトにありがとう映画に参加しています。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Instrumentation | |||
| Leica HPM100 | Leica | ||
| Automatic Freeze Substitution | Leica | ||
| Laboratory microwave with temperature control unit | テッド・ペラ | ||
| EM ACE600 with gold target | Leica | ||
| Crossbeam 540 | Zeiss | ||
| ハロゲンランプ 12 V / 20 W | オスラム | ||
| オーブン | VWR | ||
| Freezing | |||
| ウシ血清アルブミン | Sigma-Aldrich | A2153 | |
| M9 | 自家製 | C. Elegans-A 実用的なアプローチ I.A.Hope | |
| Hexadecene | Sigma-Aldrich | 52276 | |
| ポリビニルピロリドン | Sigma-Aldrich | P2307 | |
| A タイプ キャリア | Wohlwend GmbH | #241 | |
| B タイプ キャリア | Wohlwend GmbH | #242 | |
| スリット キャリア | Wohlwend GmbH | #446 | |
| プラスチック パスツール ピペット | VWR | 612-1684 | |
| 鉗子 | FST | 11200-10 | |
| Freeze substitution | |||
| アセトン | 科学サービス | 10015 | |
| タンニン酸 | Sigma-Aldrich | 403040 | |
| 四酸化オスミウム | EMS | 19100 | |
| 酢酸ウラニル | SPI-Chem | 02624-AB | |
| アセトン | EMS | 10015 | |
| チオカルボヒドラジド | Sigma-Aldrich | 223220 | |
| Nunc CryoTubes | Sigma-Aldrich | V7884-450EA | |
| 時計ガラス皿、150 mm | VWR | 216-2189H | |
| Eppendorf tubes | Eppendorf | 0030 120.094 | |
| Durcupan 樹脂 | Sigma-Aldrich | 44610 | |
| Mounting | |||
| SEMスタブ | サイエンスサービス | E75200 | |
| Aclar | Science Services | 50425-10 | |
| つまようじ濾 | |||
| 紙 | VWR | 512-3618 | |
| 導電性銀樹脂 | EMS | 12670-EE | EPO-TEK EE 129-4 |
| ソフトウェア | |||
| Image acquisition | Zeiss | SmartSEM | |
| 画像取得 | Zeiss | Atlas5 A3D | |
| 画像処理 | オープンソース | フィジー | http://fiji.sc/#download |
| 画像可視化 | オープンソース | IMOD | http://bio3d.colorado.edu/imod/ |
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