詳細な指示は、タイル (HIST) 顕微鏡と 1 分子イメージングの用法を掃引高傾斜を構築する方法について説明します。
詳細な指示は、タイル (HIST) 顕微鏡と 1 分子イメージングの用法を掃引高傾斜を構築する方法について説明します。
単一分子イメージングは大きく進歩した生物学的研究の分子機構の理解。ただし、厚さの細胞や組織に大きなビュー フィールド、コントラストの高い画像を入手するは困難だった。この問題を克服して高い傾斜スイープ タイル (HIST) 顕微鏡を紹介します。シリンドリカル レンズのペアは高速ガルバノ ミラーを介して大規模なイメージング領域にスキャンされた細長い励起光を生成する実装されました。4fの構成は、光学部品を配置する使用されました。科学的な相補型金属酸化膜半導体カメラは蛍光信号を検出し、ビームの掃引を同期ダイナミック共焦点スリット入りアウト フォーカスの背景をブロックします。すべての基本コンポーネントと HIST 顕微鏡を構築のステップバイ ステップの命令を提案します。
単一分子蛍光イメージングは、微細構造、ダイナミクスと生体分子1,2,3の量を明らかにする多くの生物学的研究で重要な役割を果たしています。しかし、それは細胞や組織中の単一分子の研究にチャレンジしております。共焦点顕微鏡は、高断面機能4、高励起強度または低速のイメージング スピードによって重度のフォトブリーチングによる単一分子イメージングに適したはありません。広視野顕微鏡は弱い照明を使用しますが、劣悪な信号からバック グラウンド比 (SBR)5に苦しみます。光シート顕微鏡は、他の一方で、良い区分および低フォトブリーチング6を示すことができます。ただし、利用可能な開口数 (NA) は大きく直交配置目標7の要件によって制限されます。また、特別な照明とサンプル室8,9が必要です。
これらの理由から、3 D 分子イメージング10高い傾斜と薄板にされた光学シート (ヒロ) 顕微鏡に広く使用されています。傾斜梁には、2 つのメディア (ガラスや水、たとえば) のインターフェイスが検出されると、ビームがスネルの法則に従って屈折します。重要なは、屈折梁を薄く、取得し、その厚さは dz として記載されて R/tan(θ)、R は傾斜ビームの直径、θ は透過線の屈折角度を =。この単純な実装良い断面機能で起因します。それにもかかわらず、この関係は、小さな R および/または大規模な θ 薄い照明 (すなわち、高い断面能力) が必要であることを示します。たとえば、R = 20 μ m と θ = 72 度、dz が取得できます = 6.5 μ m。細胞の奥深くにイメージし、全内部反射を避けるのための屈折角を大きくための実際的な制限があるので、照明径とビームの厚さとの強い結合があります。このため、ヒロのイメージングは、比較的小規模の視野 (FOV) 多細胞イメージングへの応用を大幅に制限するを示しています。
最近では、我々 は、FOV が非常に簡単な方法11にビームの厚さから切り離される高度傾斜スイープ タイル (HIST) 顕微鏡によるこの問題を克服しています。まず、一方向に細長いビームがシリンドリカル レンズのペアを介して生成されます。タイルと呼ばれる、このビームを生成したアルジェリア薄い照明 ~ 4 μ m に FOV は 130 x 12 μ m2。その後、回転ガルバノ ミラーを使用してサンプル タイルを掃引します。一方、蛍光イメージは可変共焦点スリット検出となるローリング シャッター モードで動作して効率的にフォーカス アウト バック グラウンドをフィルター処理する科学的な相補型金属酸化膜半導体 (sCMOS) カメラに記録されます。この方法では、HIST 顕微鏡は、視野の大きい (~ 130 130 μ m2x) とヒロ画像より薄い照明 1 分子イメージングを使用できます。これ新しい撮像遺伝子発現や疾患の重要な可能性を秘めている細胞の一つのプローブまたはマウス脳組織におけるいくつかのプローブと RNA 転写産物を検出する技術を適用しました。他のアプローチとは異なり HIST 追加照明なし高開口数単一目的またはリモート検出目標のみを採用し、倒立顕微鏡に対応しています。これらの利点と大きな視野と高コントラストになる HIST 顕微鏡生物学と医学における重要なツール。HIST 顕微鏡およびテストおよび以下のパフォーマンスを調整する方法の実装に関する詳細な指示を紹介します。
1. 顕微鏡、レーザーおよび配置ツールをセットアップします。
2. 検出パスを設定
3 励起パスの設定
4. 円筒レンズを設定
5. タイル画像のテスト
6. HIST イメージング
例として Atto647N の付いた単一座礁させた DNA を 638 の励起波長をイメージしました 3 D ハイドロゲルの nm。DNA は、ゲルの重合過程 acrydite 部位を介してハイドロゲル ネットワークに固定されました。画像は、図 5に示すように表面上 5 μ m で撮影されました。HIST のイメージは、単一分子スポットほとんど HIST イメージ 1.9 ± 0.7 はエピでやっと検出できること計算した信号対バック グラウンド強度比からエピ画像に比べてはるかに少ない背景を示した。
4 分子 RNA の蛍光 in situ ハイブリダイゼーション (smFISH) を行った魚プローブします。図 5bは、A549 細胞イメージング バッファーの AlexaFluor 647 の付いたEEF2 (真核生物翻訳伸長因子 2) の smFISH 画像を表示 (サンプル準備11について私たちの前の仕事を参照してください)。最大強度投影は、5 μ m の厚みに対応する 20 z スタックで実行されました。HIST のイメージだけでなく多くの改善された SBR、エピの画像と比較してもより均一な照射を示した。エピ用露光時間は 400 ms 統合イメージング HIST のラインあたりの時間は 32 ms、どちらの力を持っていた、同じ照明 7.5 の mW が目的の前に測定しました。エピの HIST イメージング速度は 2.5 fps だった

図 1.顕微鏡本体、レーザーおよび配置ツール。(A) 目的、試料ホルダー。(B) レーザー システムの写真。LP、ロングパス ・ ダイクロイック ミラー;Λ/2 半波長板;PBS、偏光ビームスプリッターです。(C) Collimated 光源。(D) 2 つの挿入可能なピンホールにビーム配置ツール。(E) 二重ピンホール システム。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.高傾斜スイープ タイル (HIST) 顕微鏡の詳細セットアップします。写真 (A) の回路図 (B) HIST 顕微鏡システムと。BF、マルチ帯域通過フィルターCL1 2、円筒レンズ;DM は、ダイクロイック ミラー;GM は、ガルバノ ミラー;BF、帯域通過フィルターM1-7、ミラー;L1-4、レンズ。SMF のシングル モード光ファイバーです。TL チューブ レンズです。cIP、共役像面;コンゴ、共役戻ってフォーカル プレーンです。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 3.8 の圧縮比と照明をタイルします。(A) 3 D ゲル 20 nm のビーズの蛍光イメージ。スケール バー、20 μ m. (B) 標準偏差 10 のデータ点によって滑らかに A の y 方向に沿って投影。赤の矢印の 12 μ m の効果的な照明幅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.フロント パネルのコントロールおよびイメージング ソフトウェア。(A) A カスタム LabView プログラムは同期的に、ガルバノ ミラー、sCMOS カメラの開始の獲得、ピエゾ ステージの動きのスキャンを制御します。(B) カメラ取り込み設定コントロール パネル。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 5。(A) 画像の Atto647N ラベル DNA エピ、HIST の照明と 3 D ゲル。(B) smFISH 画像EEF2 4 を使用しての魚は、エピ、HIST 顕微鏡、A549 細胞プローブします。DAPI 染色が青色で表示されます。スケール バー、20 μ m.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。
このプロトコルには 2 つの重要な手順があります。最初の 1 つ手順 3.3、入射ビームがレンズの中心を通るし、天井に完璧なエアリー ディスク パターンが形成されることの確保で L4 の適切な配置であります。L4 の位置は、すべて、他の光学部品、M5、L3、GM L2 などの配置を決定します。2 番目の重要なステップは、同期するプロセスです。アウト フォーカスの背景を拒否するには、効果的な検出幅がタイルの幅と等しい有効画素数はビーム掃引と同期する必要があります。したがって、タイルはり (ステップ 5.6) の効果的な照明の幅を測定する必要があるし、カメラを設定パラメーターはそれに応じてステップされて 6.4。
非常に大きな視野とイメージング、提案手法は、反対側と比較して 1 つの側面で増加の背景を示しています。これは撮像位置が異なる照明の角度を若干変更する起因します。同期的に、位置とスキャン角度11を調整する前に示されているように、この問題を軽減する M5 の代わりに 2 番目のガルバノ ミラーを実装します。既製の色消しダブレットの代わりにスキャン テレセンも役立つでしょう。しかし、イメージングの領域のための < 8,080 μ m2、単一ガルバノ ミラー掃除で十分でした。HIST 顕微鏡イメージングの深さの制限があります、しかし、それは 12 μ m タイルはりと NA 1.45 油浸対物レンズ11まで 〜 15 μ m をイメージングするとき良い SBR を取得することができます。
このプロトコルではタイルはりに 8 の梁の圧縮比を使用しました。薄い照明は、単一分子組織イメージング11の強力な可能性もある高い SBR を達成するために HIST 顕微鏡で使用できます。ただし、この場合、現在の梁の圧縮比はエピ11と比較しての 3 D イメージングで還元退色を示した増加励起強度によってフォトブリーチング効果を考慮する必要があります。直交配置された目的をもつ光シート顕微鏡に比べて、HIST 顕微鏡はシンプルに実装して従来のサンプル準備と互換性があります。強化 SBR と大きな FOV HIST 顕微鏡の相互作用と複数のセルに単一生体分子のダイナミクスを研究するため適しており、さらに使用することができます超解像イメージングと分子の追跡で。
ユニバーシティ オブ セントラル フロリダは本稿で説明する作業をカバーする特許出願を提出しました。
この作品は、防衛高等研究計画庁 (DARPA) (HR00111720066) と国立科学財団 (NSF) (1805200) によって支持されました。寛大 sCMOS カメラを貸し出し、アンドール技術マイケル ・ セルジュに感謝します
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1インチ アクロマティックダブレット | Thorlabs | AC254-060-A-ML | コリメータ |
| 1インチ アクロマティックダブレット | Thorlabs | AC254-100-A-ML | L1,L2 |
| 1インチ アクロマティックダブレット | Thorlabs | AC254-300-A-ML | TL |
| 1インチ 広帯域誘電体ミラー | Thorlabs | BB1-E02-10 | M1~M7 |
| 1インチ シリンドリカルレンズ | Thorlabs | LJ1363RM-A | CL1 |
| 1インチ シリンドリカルレンズ | Thorlabs | LJ1695RM-A | CL2 |
| 1インチ スクエア キネマティック マウント | エドモンド オプティクス | 58-857 | ダイクロイック ミラー マウント用 |
| 1" スレッド ケージ プレート | Thorlabs | CP02 | 他のレンズを保持するため |
| 2" アクロマティック ダブレット | Thorlabs | AC508-150-A-ML | L3 |
| 2" アクロマティック ダブレット | Thorlabs | AC508-400-A-ML | L4 |
| 2" スレッドケージプレート | Thorlabs | LCP01 | L4 |
| 2インチ保持用 ネジ付きケージプレート | Thorlabs | LCP01T | L3 |
| 2% Bis Solution | Bio Rad | 64085292 | ヒドロゲル成分 |
| 20 nm 蛍光ビーズ | サーモフィッシャー | F8782 | イメージング検査用 |
| 30 mm ケージ直角キネマティックミラーマウント | Thorlabs | KCB1 | 目的とカメラマウント |
| 30mm ケージシステム Iris | Thorlabs | CP20S | |
| 3軸 NanoMax Stage | Thorlabs | MAX311D | |
| 40% アクリルアミド溶液 | Bio Rad | 64148001 | ハイドロゲル成分 |
| 405 nm レーザー | Cobolt | Cobolt 06-MLD | |
| 50x TAE バッファー | Bio-Rad | 161-0743 | ハイドロゲル成分 |
| 561 nmレーザー | Cobolt | Cobolt 06-DPL | |
| 638 nm レーザー | Cobolt | Cobolt 06-MLD | |
| 過硫酸アンモニウム | シグマ | A3678-25G | ハイドロゲル |
| コンポーネント ビーム アライメント ツール | カスタムメイド | ||
| BNC 端子台 | Natural Instruments | BNC-2110 | |
| ケージ プレート M9 x 0.5 内部ねじ | Thorlabs | CP1TM09 | 非球面レンズ保持用 |
| ケージシステムロッド | Thorlabs | SRシリーズ | |
| 細胞培養&smFISH | 参考 [11] | ||
| 両面テープ | スコッチ | 515182 | フローチャンバー |
| エポキシ | Devcon | 14250 | フローチャンバー |
| ガルボミラー | Thorlabs | GVS211 | GM |
| ガルボ システム リニア電源 | Thorlabs | GPS011 | |
| 半波長板 | Thorlabs | WPH10M-405/561/633 | パワー調整 |
| ロングパス ダイクロイック ミラー | Chroma | T550lpxr | レーザーを組み合わせるため |
| 顕微鏡スライド | フィッシャーブランド | 12549-3 | フローチャンバー |
| Mikroskopische Deckglaser | Hecht Assistent | 990/5024 | フローチャンバー |
| マウント すりガラス アライメントディスク | Thorlabs | DG10-1500-H1-MD | ダブルピンホールシステム用 |
| マウントされたロチェスター非球面レンズ | Thorlabs | A230TM-A | |
| マルチバンド ダイクロイック ミラー | Semrock | Di03-R405/488/561/635-t3 | DM; 厚さ 3 mm |
| マルチバンド フィルター | Semrock | FF01-446/523/600/677-25 | BF |
| マルチモード ファイバー | Thorlabs | M31L02 | MMF |
| N,N,N',N'-テトラメチル エチレンジアミン | Σ | T7024-25ML | ハイドロゲル コンポーネント |
| NI-DAQ ボード | Natural Instruments | PCI-6733 | |
| Ø1インチ キネマティックミラーマウント | Thorlabs | KM100 | ミラー保持用 |
| 対物レンズ | オリンパス | PLANAPO N 60X | 60X 1.45NA オイル |
| ペデスタルベース クランプ フォーク | ニューポート | 9916 | |
| ペデスタルピラーポスト | Thorlabs | RS1P8E | |
| ピエゾコントローラー | Thorlabs | BPC303 | |
| 偏光ビームスプリッター | Thorlabs | PBS251 | レーザーを組み合わせるため |
| RMS-SM1アダプター | Thorlabs | SM1A3TS | 対物レンズ用 |
| ロッドホルダー | カスタムメイド | ||
| 回転ケージマウント | Thorlabs | RSP1/CRM1/CRM1P | HWP & シリンドリカルレンズ取り付け用 |
| sCMOS カメラ | Andor | Zyla-4.2P-CL10 | |
| せん断干渉計 | Thorlabs | SI100 | ビームコリメーション試験 |
| シングルモードファイバー | Thorlabs | P5-405BPM-FC-2 | SMF |
| SM1 レンズチューブ | Thorlabs | SM1S25 | ダブルピンホールシステム用 |
| SM1 スロット付きレンズチューブ | Thorlabs | SM1L30C | ダブルピンホールシステム用 |
| ステージマウント | カスタムメイド | ||
| ネジ式ファイバーアダプター | Thorlabs | SM1FC | |
| Z軸平行移動マウント | Thorlabs | SM1Z | ファイバーカップリング |
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