蛍光顕微鏡の紹介

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JoVE Science Education General Laboratory Techniques
Introduction to Fluorescence Microscopy

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09:22 min
April 30, 2023

Overview

蛍光顕微鏡は、光学顕微鏡の拡大機能と蛍光検出機能を併せ持つとても有力な分析ツールです。蛍光は、フルオロフォアとしても知られる蛍光色素分子が、特定波長の光を吸収し発光する現象です。蛍光顕微鏡の基本的な構造は光学顕微鏡と類似していますが、それに加えて強力な光源と特殊なフィルターを有しており、サンプルに標識された蛍光を観察することができます。このビデオでは、蛍光発光のメカニズム、ストークスシフト、蛍光退色などを含む蛍光顕微鏡法の基本原理や蛍光標識抗体やタンパク質、蛍光核酸染色試薬や自然界に存在する蛍光タンパク質を使用しサンプルを標識する手法を紹介しています。キセノン又は水銀ランプ、光学フィルター、ダイクロイックミラーなど蛍光顕微鏡の主要パーツ、サンプル照射する際のシャッターの使用について、そして最後に蛍光顕微鏡のアプリケーション例を紹介しています。

Procedure

蛍光とは、ある物質が特定波長の光を吸収し、それよりも長波長の光を放射することにより起こる現象です。励起状態に遷移し、余分なエネルギーを持つ不安定な状態の電子が、もとの基底状態に戻るときに蛍光が放出されます。励起光、つまり電子を高いエネルギー状態にする光は、放射される光よりも波長が短く、エネルギーが高いのが特徴です。放射される蛍光は波長が長く、低エネルギーで、色も異なります。

蛍光顕微鏡は、光学顕微鏡の機能に蛍光色素分子などの蛍光物質を励起させ、蛍光を検出する機能を合わせもった顕微鏡です。蛍光顕微鏡を利用することで、組織内の目的となる細胞や細胞内の分子を観察することができます。

蛍光顕微鏡は、光学顕微鏡の構造と類似していますが二つの大きな違いがあります。光源の種類が違うことと特殊なフィルターを使用するところです。

蛍光顕微鏡には、キセノンランプや水銀ランプのような非常に強力な光源が必要になります。水銀放電ランプから放たれる光は、白熱灯の10から100倍も明るく、紫外線から赤外線と波長領域が広いのが特徴です。蛍光顕微鏡で最も注意すべきものがこの強力な光源です。フィルターを通さず光を直接見ると、網膜を損傷させる恐れがあり、また取り扱いミスにより電球が破裂する危険性があります。

蛍光顕微鏡の基本原理はシンプルです。放電ランプから放たれた光は、励起フィルターを透過し、励起波長だけが抽出されます。

光がダイクロイックミラーにあたるとサンプルに向かって反射します。ダイクロイックミラーは励起光のみを反射する特殊な鏡です。反射された励起光は対物レンズを通ってサンプルに照射されます。サンプルから発光した蛍光は対物レンズに戻りダイクロイックミラーを透過します。

この光のうち励起波長のみがバリアフィルターで抽出され、その他の不要な散乱光は透過できません。フィルターを通った蛍光のみが検出され画像のデジタル化や接眼レンズでの観察が可能となります。

フィルターキューブは励起フィルター、ダイクロイックミラー、バリアフィルターで構成されています。フィルターキューブを切り替えることでサンプルに適した励起波長を選択でき、またダイアフラムを利用して励起強度を変えることができます。

蛍光顕微鏡で観察するには、蛍光色素分子(フルオロフォア)が重要となります。蛍光色素の種類によって、使用する励起波長と検出される発光波長は様々です。励起波長は蛍光色素分子により吸収される狭い範囲のエネルギーを持っており、励起状態に遷移させます。

励起波長は 狭い範囲のエネルギーを持っており、蛍光色素分子はそのエネルギーを吸収し励起状態に遷移します。励起後、エネルギーが低い基底状態に戻ることで発光スペクトルが放射されます。

吸収又は励起スペクトルのピークと発光スペクトルのピークとの差をストークスシフトと呼びます。この差が大きいほど2つの波長を区別でき検出しやすくなります。また、重複スペクトルがフィルターキューブ内で除去されることで、バックグラウンドが抑えられ、画像の質を高めることができます。

蛍光色素分子を長時間励起すると、蛍光退色が生じ、蛍光が弱まったり失われてしまうことがあります。蛍光の退色防止のために、アンチフェード封入材をスライドにのせ、回りをマニキュア液で固定してください。イメージングしないときは暗所に保管しておきましょう。

蛍光イメージングを開始するにあたり、スイッチを入れキセノン又は水銀ランプを点灯させ、発光が安定するまで15分ほど待ちます。

次にサンプルをステージにセットし固定します。白色光源のスイッチを入れます。低倍率の対物レンズを使用し、粗動ハンドルと微動ハンドルを調整してサンプルにフォーカスを合わせます。それからステージを上下させ観察ポイントを見つけます。

次に、バックグラウンドを減らすために必要のない室内照明や白色光源を消します。イメージングする染色に適したフィルターキューブを選択し、シャッターを開けてサンプルに照射します。

そして、フォーカスを合わせ、出てきた光をイメージングカメラに送ります。使用する蛍光色素分子や蛍光染色によって暴露時間を調整する必要があります。しかしながら、同じ染色でいくつかのサンプルを比較するときには暴露時間を一定にすることが大切です。

多重染色をイメージングするためには、蛍光色素分子に応じてフィルターキューブを変更し、新しい画像として保存して下さい。

各染色をイメージングしたあとに、重ね合わせることができます。

蛍光顕微鏡はいろいろな実験に利用され、様々な蛍光色素分子が使用されています。蛍光顕微鏡の利用例として、蛍光標識された抗体を用いたタンパク質のイメージングがあります。ここでは、レプトスピラ表面タンパク質の抗体をAlexa 蛍光標識二次抗体を使って検出しています。この二次抗体は励起させると緑色の蛍光を発します。

蛍光を特異的に標識する別の方法として、緑色蛍光タンパク質、GFPのような蛍光タンパク質を生物のDNAに組み込ませる手法があります。GFP遺伝子は、最初にクラゲから単離されたもので、細胞にある刺激を加えることにより発現させることや、ここでみられるGFPのように腫瘍細胞に特異的に発現させることができます。

他にも、蛍光イメージングのアプリケーションとして蛍光スペックル顕微鏡法があります。このF-アクチンネットワークのような高分子の集合体を蛍光標識することにより重要な細胞骨格タンパク質の動きや代謝回転のキネティクスを研究できます。

光退色後蛍光回復、FRAPと呼ばれるテクニックもあります。サンプルを部分的に退色させ、その部分に蛍光標識された分子が拡散し、回復する様子を観察することで分子の動きを解析します。

ここまでJoVE蛍光顕微鏡編をご覧いただきました。このビデオでは、蛍光の概念、蛍光顕微鏡と光学顕微鏡の違い、蛍光イメージング法、そして蛍光顕微鏡のアプリケーション例を紹介しました。ご覧いただきありがとうございました。蛍光褪色はサンプルにとって良いことではないので気をつけましょう。

Transcript

Fluorescence is a phenomenon that takes place when a substance absorbs light at a given wavelength and emits light at another wavelength. Fluorescence occurs as an electron, which has been excited to a higher, and more unstable energy state, relaxes to its ground state and gives off a photon of light. The light that is responsible for excitation, or moving the electron to a higher energy state, is of shorter wavelength and higher energy than the fluorescence emission, which has a longer wavelength, lower energy, and different color.

Fluorescence microscopy combines the magnifying properties of the light microscope with fluorescence technology that allows the excitation of- and detection of emissions from- fluorophores – fluorescent chemical compounds. With fluorescence microscopy, scientists can observe the location of specific cell types within tissues or molecules within cells.

The main components of the fluorescent microscope overlap greatly with the traditional light microscope. However the 2 main differences are the type of light source and the use of the specialized filter elements.

Fluorescence microscopy requires a very powerful light source such as a xenon or mercury arch lamp like the one shown here. The light emitted from the mercury arc lamp is 10-100 times brighter than most incandescent lamps and provides light in a wide range of wavelengths, from ultra-violet to the infrared. This high-powered light source is the most dangerous part of the fluorescence microscope setup as looking directly into unfiltered light can seriously damage your retinas and mishandling the bulbs can cause them to explode.

The principle behind fluorescence microscopy is simple. As light leaves the arc lamp it is directed through an exciter filter, which selects the excitation wavelength.

This light is reflected toward the sample by a special mirror called a dichroic mirror, which is designed to reflect light only at the excitation wavelength. The reflected light passes through the objective where it is focused onto the fluorescent specimen. The emissions from the specimen are in turn, passed back up through the objective – where magnification of the image occurs –and now through the dichroic mirror.

This light is filtered by the barrier filter, which selects for the emission wavelength and filters out contaminating light from the arc lamp or other sources that are reflected off of the microscope components. Finally, the filtered fluorescent emission is sent to a detector where the image can be digitized, or it’s transmitted to the eyepiece for optical viewing.

The exciter filter, dichroic mirror, and barrier filter can be assembled together into a component known as the filter cube. Different filter cubes can be changed during specimen viewing to change the excitation wavelength, and a series of diaphrams can be used to modify the intensity of excitation.

When it comes to performing fluorescence microscopy, the fluorophore can be just as important as the microscope itself, and the type of fluorophore being imaged dictates the excitation wavelength used and emission wavelength that’s detected. The excitation wavelengths contain a small range of energies that can be absorbed by the fluorophore and cause it to transition into an excited state. Once excited, a wide range of emissions, or transitions back to the lower energy state, are possible resulting in an emission spectrum.

The difference between the peak of the absorption, or excitation curve and the peak of the emission curve is known as Stoke’s Shift. The greater the distance in this shift, the easier it is to separate the two different wavelengths. Additionally, any overlapping spectrum needs to be removed by the components of the filter cube for reduced background and improved image quality.

Exposure of the fluorophore to prolonged excitation will cause it to photobleach, which is a weakening or loss of fluorescence. To reduce photobleaching, you can add an anti-fade mounting medium to the slide and seal the edges with nail polish. The slide should also be kept in the dark when not being imaged.

To begin fluorescence imaging, turn on the xenon or mercury light source and allow it to warm up for as long as 15 minutes in order for it to reach constant illumination.

Next, place your sample on the stage and secure it in place. Then, turn on the white light source of your microscope. Focus on your sample using the lowest powered objective by adjusting the coarse and fine focus knobs. Then, use the stage adjustment knobs to find your area of interest.

Next, turn off the white light source, as well as any unnecessary room lights to reduce background.

Select the correct filter cube for the dye you are imaging and open the shutter to illuminate your sample.

Finally, make fine focus adjustments and direct the output light to the imaging camera. You will likely need to make adjustments to the exposure time for each different fluorophore or fluorescent dye used. However, it is important to keep the exposure time constant when comparing features with the same dye on different samples.

To image multiple dyes on the same sample, change the filter cube to match each fluorophore and record the new image.

After each dye in the sample has been imaged, individual images can be overlaid and merged.

Many different types of experiments can make use of fluorescent microscopy and involve different types of fluorophores One of the most common applications of fluorescent microscopy is the imaging of proteins that have been labeled with antibodies that are attached to, or “conjugated” to fluorescent compounds.. Here, an antibody towards leptospiral surface proteins was detected using a secondary antibody conjugated to alexafluor-488, which fluoresces green when excited.

Another way to highlight a specific feature with fluorescence is to integrate the code for a fluorescent protein such as green fluorescent protein, or GFP, into the DNA of an organism. The gene for GFP was originally isolated from jellyfish and can be expressed, or produced, by cultured cells in response to specific triggers or as part of a specific cell type like the tumor cells shown glowing in this image

Another application of fluorescence imaging is Fluorescence Speckle Microscopy which is a technology that uses fluorescently labeled macromolecular assemblies such as the F-actin network seen here, to study movement and turnover kinetics of this important cytoskeletal protein.

An advanced technique known as Fluorescence recovery after photobleaching, or FRAP, is performed by intentionally photobleaching a small region of a sample in order to monitor the diffusion rate of fluorescently labeled molecules back into the photobleached region.

You’ve just watched JoVE’s introduction to Fluorescence Microscopy.

In this video we learned about the concept of fluorescence, how fluorescence microscopy differs from light microscopy, and how to take a fluorescence image through the scope. We also learned about some basic and advanced applications that use fluorescence. Thanks for watching and don’t forget while photobleaching looks great on your teeth it’s not so good for your samples.