虹のようなラマン色素の電子事前共鳴刺激ラマン散乱(epr-SRS)イメージングは、高度に多重化されたエピトープベースのタンパク質イメージングのための新しいプラットフォームです。ここでは、抗体調製、組織サンプル染色、SRS顕微鏡アセンブリ、およびepr-SRS組織イメージングを含む実用的なガイドを紹介します。
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虹のようなラマン色素の電子事前共鳴刺激ラマン散乱(epr-SRS)イメージングは、高度に多重化されたエピトープベースのタンパク質イメージングのための新しいプラットフォームです。ここでは、抗体調製、組織サンプル染色、SRS顕微鏡アセンブリ、およびepr-SRS組織イメージングを含む実用的なガイドを紹介します。
組織内の膨大な範囲の特定のバイオマーカーを視覚化することは、複雑な生物学的システムの複雑な組織を探索する上で重要な役割を果たします。したがって、高度に多重化されたイメージング技術はますます高く評価されています。ここでは、虹のようなラマン色素の電子事前共鳴刺激ラマン散乱(epr-SRS)イメージングによる標準的な免疫蛍光に匹敵する感度を持つ特定のタンパク質の高度に多重化された振動イメージングの新たなプラットフォームについて説明します。この方法は、従来の免疫蛍光におけるスペクトル的に解決可能なチャネルの限界を回避し、細胞内分解能を有する組織中の複数のマーカーを調査するためのワンショット光学的アプローチを提供する。一般に、パラホルムアルデヒド固定組織、凍結組織、およびホルマリン固定パラフィン包埋(FFPE)ヒト組織を含む標準的な組織調製物と適合性があります。このプラットフォームは、特に厚い無傷の組織について、生物学的標本のタンパク質相互作用のより包括的な全体像を提供すると想定しています。このプロトコルは、抗体調製から組織サンプル染色、SRS顕微鏡アセンブリ、epr-SRS組織イメージングまでのワークフローを提供します。
複雑な組織系は、空間的位置および相互作用ネットワークがそれらの機能および機能不全と深く絡み合っている別個の細胞亜集団から構成される1,2。組織構造を明らかにし、その複雑さを調べるためには、単一細胞分解能でのタンパク質の空間的位置の知識が不可欠です。したがって、高度に多重化されたタンパク質イメージング技術はますます高く評価されており、組織生物学を研究するための礎石になる可能性があります3,4,5。現在の一般的な多重化タンパク質イメージング方法は、2つの主要なカテゴリに分類することができる。1つは、組織染色およびイメージングの複数回のラウンドに依存する連続免疫蛍光イメージングであり、もう1つは、重金属タグ付き抗体6、7、8、9、10、11、12と結合されたイメージングマスサイトメトリーである。
ここでは、多重化抗体ベースのタンパク質イメージングのための代替戦略が導入される。広い励起スペクトルと発光スペクトル(半値全幅(FWHM)〜500cm-1)のために同時に4〜5チャンネルしか視覚化できない一般的な蛍光イメージングモダリティとは異なり、ラマン顕微鏡ははるかに狭いスペクトル線幅(FWHM〜10cm-1)を示し、スケーラブルな多重性を提供します。最近、狭いスペクトルを利用することによって、電子事前共鳴刺激ラマン散乱(epr−SRS)顕微鏡法と名付けられたラマン顕微鏡の新規なスキームが開発され、多重化画像化のための強力な戦略を提供する13。epr-SRSは、ラマン色素の電子的に結合された振動モードをプローブすることにより、ラマン断面に対して10 13倍の劇的な増強効果を達成し、従来のラマン顕微鏡(図1A)13、14、15の感度ボトルネックを克服します。その結果、epr-SRSの検出限界はサブμMに押され、細胞内の特定のタンパク質や細胞小器官などの興味深い分子マーカーのラマン検出が可能となった13,16。特に、ラマン色素結合抗体を利用して、細胞および組織中の特定のタンパク質のepr-SRSイメージング(免疫-eprSRSと呼ばれる)が、標準的な免疫蛍光に対して同等の感度で実証されました(図1B)13、17。ポンプの波長をわずか2nmだけ同調させることで、epr-SRS信号は完全にオフになり(図1B)、高い振動コントラストを示します。
プローブ側では、抗体コンジュゲーション13、18、19、20のためにマンハッタンラマン散乱(MARS)色素と呼ばれる虹のようなラマンプローブのセットが開発されている。このユニークなラマンパレットは、π共役三重結合を持つ新規色素(補足資料)で構成され、それぞれが生体直交ラマンスペクトル範囲で単一の狭いepr-SRSピークを表示します(図1C)。コア発色団の構造を改変し、三重結合の両原子を同位体編集することにより(補足資料)、スペクトル的に分離されたラマンプローブが開発されている。スケーラブルな多重性を活用して、MARS色素パレットと組み合わせたepr-SRS顕微鏡は、細胞および組織におけるワンショット多重タンパク質イメージングのための光学戦略を提供します。
Immuno-eprSRSは、独自の強みを持つ現在のマルチプレックスタンパク質イメージング法に代わる戦略を提供します。周期的な染色、イメージング、シグナル除去による蛍光アプローチと比較して、このラマンベースのプラットフォームは、シングルラウンド染色とイメージングを保証します。したがって、巡回手順の実際的な複雑さを回避し、プロトコルを大幅に簡素化し、多重化タンパク質イメージングの新しい領域を開きます。例えば、ラマン色素に合わせた組織透明化プロトコルを利用して、免疫eprSRSは3次元に拡張され、厚いインタクト組織における高度に多重化されたタンパク質マッピングが可能になりました17。10以上のタンパク質標的を、厚さミリメートルのマウス脳組織に沿って可視化した17。より最近では、免疫eprSRSを最適化された生体分子保持膨張顕微鏡(ExM)プロトコル21と結合させることで、複数の標的のワンショットナノスケールイメージングも実証されている22。イメージング質量分析法4,9と比較して、epr-SRSは非破壊的であり、本質的に光学的切断能力を有する。さらに、epr-SRSは、組織スキャンにおいてより時間効率が良い。通常、ピクセルサイズが0.5μmの0.25mm2の組織領域は、単一のepr-SRSチャネルの画像化に数分しかかかりません。例えば、図4の4つのSRSチャネルと4つの蛍光チャネルの合計イメージング時間は約10分である。
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このプロトコルは、コロンビア大学の施設動物ケアおよび使用委員会によって承認された動物実験プロトコル(AC-AABD1552)に従って実施された。
1. ラマン色素結合抗体の作製
2. 組織サンプル調製
3. 組織免疫-eprSRS染色
4. SRS顕微鏡アセンブリ
注:タンデムSRS蛍光イメージングでは、市販の共焦点蛍光システムが使用されます。さらなる説明は、以前の報告書17に見出すことができる。このプロトコルは、狭帯域励起を使用したSRSイメージング側に焦点を当てます。
5. 画像の取得と解析
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図3は、固定細胞(図3A)、パラホルムアルデヒド(PFA)固定マウス組織(図3B)、およびホルマリン固定パラフィン包埋(FFPE)ヒト試料(図3C)を含む異なる試料におけるepr-SRSの例の画像を示す。SRS顕微鏡の空間分解能は回折制限があり、典型的な横方向分解能は〜300nmであり、軸方向分解能は励起に近赤外光を使用して1〜2μmである。その結果、HeLa細胞における微小管などの微細な細胞下構造が、α-チューブリンの免疫-eprSRSイメージングにより忠実に明らかになった(図3A)。さらに、epr-SRSは一般にFFPE組織と適合性があり(図3C)、これは臨床診断および病理学研究のための生検標本の一般的な形態である。2光子蛍光顕微鏡と同様に、非線形プロセスとして、epr-SRSは...
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ここでは、新しく保存されたマウス組織、FFPEヒト組織、および凍結マウス組織を含む一般的な組織タイプに広く適用可能な免疫eprSRSプロトコルを提示する。免疫-eprSRSは、表1に列挙されているように、細胞および組織におけるエピトープのパネルについて検証されている。このワンショットプラットフォームは、サイクリック戦略がうまく機能しないアプリケーションに特に適しています。例えば、環状蛍光は、3D免疫標識の複数回のラウンドが実用的で長いため、厚い組織に対して要求されています17。また、非線形3D組織学的変化による登録誤差が生じる可能性が非常に高い11,17。Immuno-eprSRSは、このようなシナリオにおける環状蛍光の実際的な障壁を克服し、大量のタンパク質相互作用ネットワークを明らかにする機会をもたらします17。
現在の多重性は、主に二...
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著者らは開示するものは何もありません。
マウスの膵臓組織を提供してくれたルース・A・シンガーとリチャード・K・P・ベニンガーに感謝します。W.M.は、NIH R01(GM128214)、R01(GM132860)、R01(EB029523)、および米軍(W911NF-19-1-0214)からのサポートを認めています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 16% パラホルムアルデヒド、EM グレード | 電子顕微鏡科学 | 15710 | |
| &-tubulin | Abcam | ab18251 | 一次抗体 |
| &-tubulin | BioLegend | 625902 | 一次抗体 |
| &β;-III-tubulin | BioLegend | 657402 | 一次抗体 |
| β-III-tubulin | Abcam | ab41489 | 一次抗体 |
| &β;-tubulin | Abcam | ab131205 | 一次抗体 |
| アガロース、低ゲリング温度 | Sigma Aldrich | A9414 | 脳埋め込み用 |
| ウサギで産生される抗a-tubulin抗体 (&α;-tubulin) | Abcam | ab52866 | 1次抗体 |
| マウスで産生される抗カルビンジン抗体 (Calbindin) | Abcam | ab82812 | 一次抗体 |
| 抗GABA B受容体 R2 モルモットで産生される抗体 (GABA B receptor R2) | ミリポアシグマ | AB2255 | 一次抗体 |
| ヤギで産生される抗GFAP抗体 (GFAP) | Thermo Scientific | PA5-18598 | 一次抗体 |
| 抗グルカゴン マウスで産生される抗体 (Glucagon) | Santa Cruz Biotechnology | sc-514592 | 一次抗体 |
| モルモット産生抗インスリン抗体(インスリン) | DAKO | IR00261-2 | 一次抗体 |
| ラット産生抗MBP抗体(MBP) | アブカム | ab7349 | 一次抗体 |
| ウサギ産生抗NeuN抗体(NeuN) | Thermo Scientific | PA5-78639 | 一次抗体 |
| ヤギで産生される抗膵臓ポリペプチド(PP)抗体-膵臓ポリペプチド(PP) | シグマ・アルドリッチ | SAB2500747 | 一次抗体 |
| ウサギで産生される抗Pdx1抗体 (Pdx1) | Milipore | 06-1379 | 一次抗体 |
| ラットで産生される抗ソマトスタチン抗体 (ソマトスタチン) | アブカム | ab30788 | 一次抗体 |
| ニワトリで産生される抗ビメンチン抗体 (Vimentin) | Abcam | ab24525 | 一次抗体 |
| バンドパスフィルター | KRエレクトロニクス KR2724 | 8 MHz | |
| BNC 50 Ω ターミネーター | ミニ回路 | STRM-50 | |
| BNCケーブル | Thorlabs | 2249-C | 同軸ケーブル、BNC オス/オス |
| 広帯域誘電体ミラー | Thorlabs | BB1-E03 | 750 - 1100 nm |
| C57BL/6J マウス | ジャクソン研究所 | 000664 | |
| 遠心分離 | |||
| 機コンデンサー | オリンパス | オイル浸漬、1.4 N.A. | |
| サイトケラチン 18 | Abcam | ab7797 | 一次抗体 |
| サイトケラチン 18 | Abcam | ab24561 | 一次抗体 |
| DC電源 | TopWard | 6302D | バイアス電圧は64V |
| ダイクロイックマウント | Thorlabs | KM100CL | キネマティックマウント 最大1.3インチ(33mm) 高さ 長方形光学系、左利きロ |
| バ アンチチキン IgY (H+L) | ジャクソンImmunoResearch | 703-005-155 | Secondary antibodies for MARS conjugation |
| Donkey anti-Goat IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 705-005-147 | Secondary antibodies for MARS conjugation |
| Donkey anti-Guinea Pig IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 706-005-148 | Secondary antibodies for MARS conjugation |
| Donkey anti-Mouse IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 715-005-151 | MARS標識用二次抗体 |
| Donkey anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 711-005-152 | MARS標識用二次抗体 |
| Donkey anti-Rat IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 712-005-153 | MARS標識用二次抗体 |
| Donkey anti-Sheep IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 713-005-147 | 二次抗体MARS標識用抗体 |
| DPBS | フィッシャーサイエンティフィック | 14-190-250 | |
| EpCAM | Abcam | ab71916 | 一次抗体 |
| エタノール | Sigma Aldrich | 443611 | |
| 高速ルックインアンプ | チューリッヒ・インスツルメンツ | HF2LI | DC - 50 MHz |
| FFPE 腎臓サンプル | USBiomax | HuFPT072 | |
| Fibrillarin | Abcam | ab5821 | 一次抗体 |
| Giantin | Abcam | ab24586 | 一次抗体 |
| Glucagon | Santa Cruz Biotechnology | sc-514592 | 一次抗体 |
| H2B | Abcam | ab1790 | 一次抗体 |
| HeLa | ATCC | ATCC CCL-2 | |
| 高O.D.バンドパスフィルター | クロマテクノロジー | ET890/220m | ストークスビームをフィルタリングし、ポンプビームを透過させる |
| 疎水性ペン | フィッシャー・サイエンティフィック | ・NC1384846 | |
| インスリン | ・サーモフィッシャー | 701265 一次抗体 | |
| 統合型SRSレーザーシステム | 応用物理学 &エレクトロニクス株式会社 | picoEMERALD | picoEMERALDは、1,064nmのパルス幅6ps、繰り返し周波数80MHzの出力パルス列を提供し、これがストークスビームとして機能します。532nmの周波数倍増ビームは、ピコ秒光パラメトリック発振器(OPO)を同期してシードし、パルス幅が5~6psのモードロックパルス列を生成するために使用されます(OPOのアイドラービームは干渉フィルターでブロックされます)。OPOの出力波長は720°dashから調整可能です。950nm、これはポンプビームとして機能します。1,064nmのストークスビームの強度は、8MHzの内蔵EOMによって正弦波に変調され、変調深度は90%を超えます。ポンプビームは、ピコエメラルド内部のダイクロイックミラーを使用して、ストークスビームと空間的に重なっています。ポンプパルス列とストークスパルス列の時間的オーバーラップは、内蔵の遅延ステージで達成され、顕微鏡での純粋なD2OのSRS信号によって最適化されます。 |
| 倒立レーザー走査型顕微鏡 | オリンパス | FV1200MPE | |
| キネマティック ミラー マウント | Thorlabs | POLARIS-K1-2AH | 2 ロープロファイル ヘックス アジャスター |
| レクチン Triticum vulgaris (小麦) Sigma | Aldrich | L0636-5 mg | |
| ロングパス ダイクロイック ビーム スプリッター | Semrock | Di02-R980-25x36 | 980 nm レーザー BrightLine シングルエッジレーザーフラットダイクロイックビームスプリッター |
| MAP2 | BioLegend | 801810 | 一次抗体 |
| 顕微鏡イメージングソフトウェア | Olympus | FluoView | |
| NanoQuant Plate | Tecan | プレートリーダーでの吸光度ベースの小容量分析用。 | |
| 正常なロバ血清 | Jackson ImmunoResearch | 017-000-121 | |
| NucBlue Fixed Cell ReadyProbes Reagent (DAPI) | Thermo Scientific | R37606 | |
| Nunc 4-Well Dishes | Fisher Scientific | 12-566-300 | |
| 対物レンズ | Olympus | XLPlan N | x25, 1.05-NA, MP, working distance = 2 mm |
| ペイントブラシ | |||
| ペリスコープアセンブリ | Thorlabs | RS99 | には、上部と下部のユニットが含まれています。1インチのポスト、およびクランプフォーク。 |
| pHメーター | |||
| プレートリーダー | Tecan | Infinite 200 PRO | 使いやすいマルチモードプレートリーダーです。230&ndashのスペクトル範囲にわたる吸光度測定機能。1000nm。 |
| ProLong Gold 退色防止試薬 | Thermo Scientific | P36930 | |
| PSD95 | Invitrogen | 51-6900 | 一次抗体 |
| Sephadex G-25 Medium | GE Life Sciences | 17-0033-01 | 脱塩およびバッファー交換用ゲルろ過樹脂 |
| BNCコネクタ付きシールドボックス | Pomona Electronics | 2902 | アルミニウムボックス カバー付き、BNC メス/メス |
| Siフォトダイオード | Thorlabs | FDS1010 | 350–1100 nm、10 mm x 10 mm アクティブエリア |
| Synapsin 2 | ThermoFisher | OSS00073G | 一次抗体 |
| Tissue Path Superfrost Plus Gold Slides | Fisher Scientific | 22-035813 | 新鮮な組織切片またはホルマリン固定組織切片をスライド表面にしっかりと引き付け、化学的に結合する接着スライド (tiisue bindling glass slides) |
| Triton X-100 | Fisher Scientific | BP151-500 | |
| ビブレータ | ライカ | VT1000 | |
| ビメンチン | Abcam | ab8069 | 一次抗体 |
| キシレン | シグマ アルドリッチ | 214736 |
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