我々は、送信シグナル検出を備えた直立刺激ラマン散乱顕微鏡を用いた生細胞のタイムラプスイメージングのためのステージトップの柔軟な環境チャンバーについて報告する。脂肪滴は、オレイン酸で処理したSKOV3細胞で最大24時間、3分の時間間隔で画像化されました。
我々は、送信シグナル検出を備えた直立刺激ラマン散乱顕微鏡を用いた生細胞のタイムラプスイメージングのためのステージトップの柔軟な環境チャンバーについて報告する。脂肪滴は、オレイン酸で処理したSKOV3細胞で最大24時間、3分の時間間隔で画像化されました。
誘導ラマン散乱(SRS)顕微鏡は、ラベルフリーの化学イメージング技術です。SRSを用いた生細胞イメージングは、多くの生物学的および生物医学的用途で実証されています。しかし、生細胞の長期タイムラプスSRSイメージングは広く採用されていません。SRS顕微鏡では、高解像度のイメージングを実現するために、高開口数(NA)水浸対物レンズと高NA油浸コンデンサーを使用することがよくあります。この場合、対物レンズとコンデンサーの間のギャップはわずか数ミリメートルです。したがって、ほとんどの市販のステージトップ環境チャンバーは、剛性のあるガラスカバーで厚さが大きいため、SRSイメージングには使用できません。この論文では、正立顕微鏡フレーム上で送信されたSRS信号検出を備えたタイムラプスライブセルイメージングに使用できる柔軟なチャンバーの設計と製造について説明します。チャンバーの柔軟性は、柔らかい素材(薄い天然ゴムフィルム)を使用することで実現されます。新しいエンクロージャとチャンバーの設計は、既存のSRSイメージングセットアップに簡単に追加できます。試験と予備的な結果は、フレキシブルチャンバーシステムにより、生細胞の安定した長期タイムラプスSRSイメージングを可能にし、将来のさまざまなバイオイメージングアプリケーションに使用できることを示しています。
光学顕微鏡は、サンプルの微細構造を観察するために使用されます。光学イメージングは、他の技術よりも迅速で、侵襲性が低く、破壊的ではありません1。光学顕微鏡による生細胞イメージングは、培養生細胞の動態を長期間にわたって捉えるために開発されています2。異なるタイプの光学コントラストは、生物学的サンプルに関する異なる情報を提供します。例えば、光学位相顕微鏡は、試料3全体の屈折率の微妙な違いを示す。蛍光顕微鏡は、特定の生体分子や細胞小器官の画像化に広く使用されています。しかしながら、蛍光の広帯域励起スペクトルおよび発光スペクトルは、通常、多色イメージングが行われるときにスペクトルオーバーラップをもたらす4。蛍光分子は光に敏感であり、長期間の定期的な光曝露後に漂白することができます。さらに、蛍光標識は、細胞5における分子の生体分布を変化させ得る。SRS顕微鏡は、ラベルフリーの化学イメージング技術です6。SRSのコントラストは、特定の化学結合の振動遷移に依存しています。化学結合の振動周波数は狭いスペクトル帯域幅を示すことが多く、同じサンプル内の複数のラマンバンドを画像化することが可能になります7。SRS顕微鏡は、生細胞イメージングのためのユニークなツールであり、ラベルフリーの方法で複数の化学的コントラストを提供します8。
染色されていない細胞のSRSイメージングは多くの研究に使用されていますが、生細胞の長期タイムラプスSRSイメージングは広く採用されていません。その理由の1つは、市販のオープンチャンバーは厚さ9,10,11,12が大きいため、SRSイメージングに直接使用できないことです。ガラス蓋付きのこれらのチャンバーは、主に、後方検出スキームを備えた単一の高NA対物レンズを使用した明視野または蛍光イメージング用に設計されています。ただし、SRSイメージングでは、高NA対物レンズと高NAコンデンサーの両方を使用した透過検出が好まれるため、対物レンズとコンデンサーの間に非常に短いギャップ(通常は数ミリメートル)しか残されません。この問題を克服するために、我々は、正立顕微鏡フレームを使用して生細胞のタイムラプスSRSイメージングを可能にするために、柔らかい材料を使用して柔軟なチャンバーを設計しました。この設計では、水浸対物レンズはソフトチャンバーに封入されており、焦点合わせとイメージングの目的で3次元で自由に移動できます。
ほとんどの哺乳類細胞を培養するのに最適な温度は37°Cですが、室温は常にこれより10°C低くなっています。37°Cより高いまたは低い温度は、細胞増殖速度に劇的な影響を及ぼします13。そのため、生細胞イメージングシステムにおいては細胞培養環境の温度制御が求められている。温度の不安定性は、長期イメージング中に焦点ぼけの問題につながることが知られています14。37°Cの安定した環境を実現するため、顕微鏡下の断熱層を含む顕微鏡フレーム全体を覆う大型の筐体チャンバーを構築しました(図1)。大きな温度制御チャンバー内では、小さな柔軟なチャンバーは、5%CO2を補充した調整された空気の流れを介して生理学的湿度とpHを正確に維持するのに役立ちます(図2)。チャンバーの温度と湿度を測定し、ダブルチャンバー設計が長期の定期的なSRSイメージング下での細胞増殖に最適な細胞培養条件を提供することを確認しました(図3)。次に、SKOV3がん細胞のタイムラプスイメージングと脂肪滴(LD)の追跡へのシステムの応用を実証しました(図4、図5、および図6)。
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1.顕微鏡環境エンクロージャを構築する
注:この大型顕微鏡環境エンクロージャは、顕微鏡本体の温度とイメージング環境を37°Cで安定させるために使用されます(図1A)。
2.フレキシブルチャンバーを組み立てます
3. タイムラプス生細胞SRSイメージング実験の準備
4. タイムラプス生細胞SRSイメージング実験の実施
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タイムラプスSRSイメージング用のフレキシブルチャンバーシステムを作製して組み立て(図1 、 図2)、システムの性能を評価しました。顕微鏡環境エンクロージャ内の温度は1時間以内に予想される37°Cに達し、室温に大きな影響を与えませんでした(図3A)。フレキシブルチャンバー内の温度は1.5時間で37°Cに達し、少なくとも24時間37°Cで安定に維持されました(図3B)。フレキシブルチャンバー内の相対湿度は、1時間で85%に達し、その後少なくとも24時間維持される可能性があります(図3C)。測定された温度と湿度のデータは、このシステムが長期的な細胞増殖に最適な環境を提供できることを裏付けています。
SRSを用いた生細胞イメージングは、多くの生物学的および生物医学的研究に適用されている
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タイムラプス生細胞SRS顕微鏡は、ラベルフリーの方法で分子追跡を行うための代替イメージング技術です。蛍光標識と比較して、SRSイメージングは光退色がなく、分子の長期モニタリングが可能です。しかしながら、今日まで、正立SRS顕微鏡上の生細胞イメージングシステムは市販されていない。本研究では、安定した断熱顕微鏡エンクロージャボックスと柔軟な内部ソフトチャンバーを備えたライブセルイメージングシステムを開発し、透過SRSタイムラプスイメージングを可能にしました。このセットアップでは、大型のエンクロージャボックスが37°Cで温度安定性を維持し、内部のソフトチャンバーが加湿空気を供給して最適な細胞培養環境を確立します。この研究で実証された柔軟なオープンチャンバーは、生細胞の長期SRSイメージングのためのシンプルなワークフローを可能にします。ガラス底皿に播種された細胞は、まず通常のインキュベーターで調製および培養してから、イメージングのために柔軟なステージ上のチャンバーに移すことができます。生細胞SRSイメージングを実行するための代替ソリューションは、マイクロ流体およびフローサイトメトリープラットフォームを含むクローズドフローセルを使用することである...
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著者は開示する利益相反を持っていません。
ビンガムトン大学の2019年学部シニアデザインチーム(Suk Chul Yuon、Ian Foxton、Louis Mazza、James Walsh)に、顕微鏡エンクロージャーボックスの設計、製造、テストを行ったことに感謝します。有益な議論をしてくれたビンガムトン大学のスコット・ハンコック、オルガ・ペトロワ、ファビオラ・モレノ・オリバスに感謝します。この研究は、国立衛生研究所の支援を受けて、受賞番号R15GM140444で行われました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| A lab-built SRS microscope | https://rdcu.be/cP6ve | ||
| HF2LI 50 MHz ロックインアンプ | Zurich Instruments | HF2LI | |
| Iris diaphragm | Thorlabs | Inc SM1D12 | |
| キネマティックミラーマウント | Thorlabs Inc | KM100 | |
| 顕微鏡フレーム | Nikon Inc | FN-1 | |
| 電動顕微鏡ステージ | Prior Scientific | Z-Deck | |
| 油浸コンデンサー (C-AA Achromat/Aplanat, NA 1.4) | Nikon Inc | MBL71405 | |
| 水浸対物レンズ (CFI75 Apo 25XC W 1300) | Nikon Inc | MRD77225 | |
| 顕微鏡筐体用材料および部品 (31'' x 29'' x 28'' L x W x H) | |||
| エアサームヒーターモジュール | ワールド・プレシジョン・インスツルメンツ(WPI) | エアサーム・SAT-1W | |
| エアサーム・ヒーター・コントローラー、CO<サブ>2・湿度モニター | ワールド・プレシジョンズ(WPI) | エアサーム-SMT-1W | |
| エア/CO<サブ>2ミキサーモジュール | ワールド・プレシジョンズ(WPI) | ECU-HOC-W | |
| フレキシブルダクトホース(2-1 / 2 '' ID、2-3 / 4 '' OD) | McMaster-Carr | 56675K71 | |
| ガラスマイカセラミック、機械加工が簡単(6 '' x 6 ''、1/4 ''厚さ) | McMaster-Carr | 8489K62 | |
| ポリカーボネートシート(厚さ0.25 '') | McMaster-Carr | 8574K286 | |
| シリコーンゴムシート(36インチ×36インチ、厚さ1/8インチ) | McMaster-Carr | 5827T43 | |
| フレキシブルチャンバー | |||
| McMaster-Carr | 31745K11 | ||
| 高純度インラインフィルター、1/4 NPT | McMaster-Carr | 6645T18 | |
| ホールソー(切断直径1-7 / 8インチ) | McMaster-Carr | 4066A34 | |
| 穴鋸(切断直径50 mm) | McMaster-Carr | 4556A19 | |
| シリコーンゴムチューブ、ソフト、内径2 mm、外径5 mm | McMaster-Carr | 5054K313 | |
| フィルター(1/4 NPT、40ミクロン) | McMaster-Carr | 98385K843 | |
| 多目的6061アルミニウム丸管(1/8 ''壁厚、4 '' OD) | McMaster-Carr | 9056K42 | |
| 多目的 6061 アルミニウム丸管 (3/4 '' 壁の厚さ、3-3/4 '' OD) | McMaster-Carr | 9056K47 | |
| 多目的 6061 アルミニウム棒 (12 インチ x 12 インチ、厚さ 1/4 ) | McMaster-Carr | 8975K142 | |
| 多目的 6061 アルミニウム棒 (8 インチ x 8 インチ、厚さ 3/8 )') | McMaster-Carr | 9246K21 | |
| 対物レンズノーズピース(シングル) | Nikon Inc | FN-MN-H | |
| サンプルホルダー(変更) | Prior Scientific | HZ202 | |
| 超薄型天然ゴムフィルム(厚さ0.01'') | McMaster-Carr | 8611K13 | |
| シール可能なガラス瓶 | McMaster-Carr | 3231T44 | |
| ソフトウェア | |||
| MATLAB | MathWorks | ||
| ImageJ (Fiji) | imagej.net | ||
| ScanImage | Vidrio Technologies, LLC | SRS イメージングソフトウェア | |
| Materials for live-cell imaging | |||
| ガラス底部滅菌培養皿 (Dia.x H,50 x 7 mm) | Electron Microscopy Sciences (EMS) | 70674-02 | |
| DMEM 細胞培養培地 | ThermoFisher Scientific | 11965092 | |
| ウシ胎児血清 (FBS) | ThermoFisher Scientific | 26140079 | |
| LysoSensor 蛍光色素 DND-189 | ThermoFisher Scientific | L7535 (Invitrogen) | |
| オレイン酸 | ミリポアSigma | 364525 | |
| SKOV3細胞株 | ATCC | HTB-77 |
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