このプロトコルは、高圧凍結(HPF)とワッフル法、低温集束イオンビーム(cryo-FIB)リフトアウト、線量対称の並列取得を統合することで、厚組織のクライオ電子断層撮影(cryo-ET)を標準化し、マウス海馬での再現可能な 現地 解析のための均一な薄い板状およびガラス化標本を得ています。
方法論記事
このプロトコルは、高圧凍結(HPF)とワッフル法、低温集束イオンビーム(cryo-FIB)リフトアウト、線量対称の並列取得を統合することで、厚組織のクライオ電子断層撮影(cryo-ET)を標準化し、マウス海馬での再現可能な 現地 解析のための均一な薄い板状およびガラス化標本を得ています。
クライオ電子断層撮影(cryo-ET)は、ネイティブ細胞超微細構造の3D可視化を可能にしますが、厚組織への応用は信頼性の高いガラス化や低スループットのラメラ製剤の不足により制限されています。ここでは、銅箔を用いた「ワッフル」アセンブリを用いて高圧凍結(HPF;~2100バール、解剖から凍結までの時間≤90秒)を統合し、組織を薄くし、クライオFIBリフトアウトを行い、過剰傾斜補償付き120–200nmのラメラへの制御薄化を統合したエンドツーエンドワークフローを提示します。導電性コーティングは標準化されています(スパッター-Pt 30 mA/15秒;カーテンを最小限に抑えるためにGIS上限0.5–1.0μm。自動化された線量対称データ取得(0°、±3°、±6°...±60〜66°まで;ステップサイズは2〜3°;総線量100–150 e⁻/Å2)はPACEtomoスクリプト で 実装され、開始傾斜角はミリング角度と試料の向きから導かれます。AreTomo 3による処理は、モーション補正、CTF推定、アライメント、WBP再構築の機能をほぼリアルタイムで提供します。IsoNetはオプションで欠損ウェッジ異方性を低減することが可能です。サブトモグラム平均法(RELION 4.0)は、FSCカットオフ0.143に基づく解像度報告を行う擬似サブトモグラム戦略に従っています。マウスの海馬で実証されたこのワークフローは、よくガラス化されたサンプルと均一なラメラ(ターゲット厚さ150 ± 40 nm)を日常的に生成し、高スループットのチルトシリーズ収集(通常5〜8分/ティルトシリーズ)を実現します。このプロトコルは、複雑な組織環境から直接現 地 構造生物学を研究するための再現可能な方法を提供します。
クライオ電子断層撮影(cryo-ET)は、高分子複合体や細胞構造を、その自然な水和状態である1,2,3,4,5を可視化する重要な技術として登場しています。投影画像の傾き系列から三次元体積を再構築することで、クライオETは細胞の文脈と原子レベルの解像度とのギャップを埋め、構造生物学の現場6に関する前例のない洞察を提供します。細胞標本7(懸浮液中の凍結FIB薄薄細胞や付着細胞を含む)のクライオ電子断層撮影ワークフローは現在確立されていますが、厚く構造的に完全な組織への直接拡張は依然として非常に困難です。特に脳11のような高水分組織では、信頼性の高いガラス化や電子透明層(通常<200 nm)の調製が持続的なボトルネックを引き起こし続けます。
組織内のガラス化は、水分含有量が高く熱伝達が限られているため困難です。プランジ冷凍は薄い試料(≤20μm)には効果的ですが、ほとんどの組織では効果がありません。高圧凍結(HPF)は高圧を加えることで氷の核生成を抑制し、理論上は最大~200μmの試料のガラス化を可能にします。しかし、従来のHPFの効率は組織のガラス化には最適とは言えないことが多いです。結果を改善するために、最近の取り組みでは、凍結前にクライオプロテクタント14を追加したり、15,16の膜を機械的に減らすための事前切断(例:ビブラトームの使用)を行うなどの戦略が用いられています。これらの方法はガラス化の質を向上させることができますが、多くの場合、長期間の体外での取り扱いや、天然構造を変化させるリスクのある化学添加剤の使用を伴います。これらの制約に対処するため、本研究はKelleyらが最初に開発した「ワッフル」キャリア戦略を修正し、重要な最適化を導入しました。すなわち、脳組織を2枚の研磨銅キャリアで物理的に圧縮し、凍結前にサンプルを薄めつつ、フィルム状のグリッドと銅箔の間に固定します。この設計は迅速かつ均一なガラス化を促進するだけでなく、機械的安定性を大幅に向上させ、その後の取り扱い時のグリッド破損やサンプル損失を効果的に防ぎ、完全な高品質な凍結組織標本を得るための強固な基盤を築きます。
ガラス化の後も、薄化は処理量と品質の両方において大きな障壁となっています。初期かつ広く採用された技術として、クライオウルトラミクロトミーは多くの基礎的な現地構造研究を可能にします。それにもかかわらず、圧縮や切断アーティファクトを頻繁に導入し、構造的な強度を損なうことがあります。これに対し、クライオ集束イオンビーム(クライオFIB)ミリング21は、優れた精度と最小限の歪みを提供します7,22。当初は、グリッド上のガラス化サンプルに直接クライオFIBミリングを施し、ラメラ23を生成していました。しかし、このインサイトアプローチは主に薄い標本(例:培養細胞や末梢組織領域)に効果的であり、厚くかさばる組織内のより深い構造にはアクセスできません。この深さの制約を克服するために、リフトアウト戦略26が開発され、サンプル内部から関心領域(ROI)をサイト特有的に抽出できるようになりました。その後の方法論的進歩、例えばシリアルリフトアウト27やオングリッドシリアルセクショニング(SOLIST)28は、複雑組織における3D相関ターゲティングのスループット、ラメラー安定性、精度をさらに向上させました。近年では、Tangらによる6面接合法(リフトアウトおよび薄化時の機械的安定化)や、Benjamin C. Creekmoreらによる新しいオングリッドミリング手法(ネイティブ組織の文脈を保持しつつ深部構造へのアクセスを可能にする)など、この分野の革新が進んでいます。29ページ。これらの進歩にもかかわらず、プロトコルは組織タイプごとに効率、再現性、適応性に依然として異なります。これらの最適化を多様な厚組織向けに統合する一貫したパイプラインに統合する、標準化され、容易に再現可能かつ広く適用可能なワークフローの確立には重大なギャップが残っています。
このギャップは、確立された手法から重要な技術的詳細を統合し、それらを一般化されたエンドツーエンドのパイプラインに洗練させることで埋められます。このプロトコルは、堅牢なガラス化のための強化HPFワッフル法を用いるだけでなく、体系的なオーバーチルト補償、標準化された導電コーティング、校正されたミリングシーケンスなど、クライオFIBリフトアウトおよび薄化の最適化ステップを組み込んでおり、ラメラの均一性を高め、アーティファクト(例:カーテン)を減らし、スループットを向上させます。特定の細胞タイプやモデル生物に特化したプロトコルとは異なり、このワークフローは一般化可能性を核として設計されており、実証されたマウスの海馬を超えた比較的柔らかく圧縮されやすい組織を含む幅広い厚く複雑な組織に適応可能な多様なフレームワークを提供します。
氷の損傷や構造的複雑さに敏感なマウスの海馬モデルで実証されたこの統合的かつ一般化されたワークフローは、高品質なラメラ(120–200 nm)を確実に生成し、効率的な傾斜系列取得(5–8分/シリーズ)をサポートします。このベストプラクティスの統合は、一貫性がありアクセスしやすく広く適用可能なプロトコルとなり、異なる生物学的・生物医学的文脈における厚組織研究におけるクライオETの技術的障壁を下げる再現可能な枠組みを提供します。
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動物組織を含むすべての手技はSUSTech IACUC(プロトコルSUSTech-JY202501019に準拠しています)。摂政と使用された装備は 材料表に記載されています。
1. サンプルサポートの準備
2. 高圧凍結
3. FIBミリングとリフトアウト
注意:クライオステージを備えたデュアルビーム顕微鏡を用いて以下の手順を実行してください。試料温度は全体的に-170°C以下に保ちます。
4. Cryo-ETデータ収集
5. データ処理
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このプロトコルの成功した適用により、高品質なガラス化組織ラメラの生成と、その後のトモグラム再構築が可能となり、自然な細胞超微細構造が明らかになります。マウスの海馬組織を用いて示された以下の結果は、成功した実験の代表例です。
「ワッフル」法による高圧凍結で処理された組織ブロックは、均一で電子透明な外観を示しました(図4B,C)。完全にガラス化した試料では、結晶性氷に伴う回折コントラストは認められませんでした。傾斜系列から得られたパワースペクトルは、氷結晶を示す鋭い六角回折リングを伴わない拡散プロファイルを示し、細胞水がガラス状状態で成功裏に保存されていることを検証しました。これは高解像度イメージング解析に不可欠です。最適化されたプロトコルにもかかわらず、厚い組織標本の完全なガラス化は依然として技術的課題です。評価された4つのブロックのうち、1つのサンプルは内部に局所的な氷結晶を示しました。対照的に、接触面は一貫してより有利な...
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ここで示すワークフローは、ネイティブ厚組織の 現地 クライオ電子断層撮影のための一般化され、最適化され、再現可能なパイプラインを確立します。その主な貢献は、単一の技術の発明ではなく、改良されたワッフル-HPF法を用いた堅牢なガラス化から、精密に校正されたクライオFIBリフトアウトおよび薄化プロトコルに至るまで、全体のプロセスの体系的な統合、洗練、詳細な標準化にあります。この合成は、複雑な組織にクリオETを適用する際にしばしば直面する再現性とアクセスのギャップに対処しています。
重要なステップとプロトコルの最適化
ワークフローの成功と信頼性にとって、いくつかの統合最適化が不可欠です。まず、強化型HPF「ワッフル」法は基本的で、重要な改良を伴います。2つの研磨銅キャリアを用いて組織を物理的に圧縮し、凍結前にサンプルを事前に薄める方法です。組織はフィルム状のグリッド上で支えられ、その上に銅箔が重ねられてサンプルを固定し、損失を防ぎます。この設計は迅速かつ均一なガラ...
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著者たちは何も明かすことはありません。
著者らは、サザン科学技術大学のクライオEMセンターのスタッフの技術支援に感謝します。このプロジェクトは、国家科学技術革新(脳科学・脳様知能技術-国家科学技術主要プロジェクト、助成金番号2022ZD0211905)および中国国家自然科学基金(助成金番号32200998および第32161133022)の支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1-ヘキサデセン | シグマ・オルドリッチ | H2131 | 化学物質&試薬 |
| 2-メチルペンタン | シグマ・オルドリッチ | M65807 | 化学物質&試薬 |
| クリップリング | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 1131750;1188953 | 消耗品 |
| 銅箔 | 風成金属材料 | 1 & micro;厚さm(m) | 消耗品 |
| 銅線サポートTEMグリッド(100メッシュ) | 北京中京閣科技有限公司 | BZ10021b | 消耗品 |
| クライオEM | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | クリオス G4 | 装備 |
| クライオFIB | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | アクイロス2 | 装備 |
| クライオFIBオートグリッド | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | 1205101 | 消耗品 |
| グリッド(UltrAufoil R 1.2/1.3 300メッシュ) | クアンティフォイル | アルトラ・オーフォイル | 消耗品 |
| 高圧冷凍庫 | ライカ・マイクロシステムズ | エム・アイス | 装備 |
| HPFキャリア、銅 | ライカ・マイクロシステムズ | タイプB(6 mm) | 消耗品 |
| イオンスパッターコーター | 定足数 | Q150RS プラス | 装備 |
| 金属組織研磨ペースト | lab-testec | W0.5 | 消耗品 |
| 布磨き | モラル | B00809 | 消耗品 |
| サンドペーパー | イーグルブランドサンドペーパー | 8000番、12000番 | 消耗品 |
| 立体顕微鏡 | ライカ・マイクロシステムズ | S9i | 装備 |
| ショ糖 | シグマ・オルドリッチ | 200-334-9 | 化学物質&試薬 |
| Tiltシリーズ取得ソフトウェア | https://bio3d.colorado.edu/SerialEM/ | シリアルEM 4.0.9 | ソフトウェア |
| 傾斜系列の整列と再構築ソフトウェア | https://github.com/czimaginginstitute/AreTomo3 | アレトモ3 | ソフトウェア |
| Tiltシリーズ取得ソフトウェア | https://github.com/eisfabian/PACEtomo | ペーストモ | ソフトウェア |
| 傾斜系列の整列と再構築ソフトウェア | https://github.com/IsoNet-cryoET/IsoNet | IsoNet | ソフトウェア |
| 傾斜系列の整列と再構築ソフトウェア | https://github.com/cryoem/eman2 | EMAN2 | ソフトウェア |
| 傾斜系列の整列と再構築ソフトウェア | https://relion.readthedocs.io/en/release-4.0/index.html | レリオン4 | ソフトウェア |
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