Hier presenteren we een protocol voor de Hopping Probe Ion Conductance Microscopy (HPICM), een contactloze scanning probe-techniek die beeldvorming op nanoschaal van stereocilia-bundels in levende auditieve haarcellen mogelijk maakt.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Hier presenteren we een protocol voor de Hopping Probe Ion Conductance Microscopy (HPICM), een contactloze scanning probe-techniek die beeldvorming op nanoschaal van stereocilia-bundels in levende auditieve haarcellen mogelijk maakt.
Binnenoorhaarcellen detecteren door geluid geïnduceerde verplaatsingen en transduceren deze stimuli in elektrische signalen in een haarbundel die bestaat uit stereocilia die zijn gerangschikt in rijen van toenemende hoogte. Wanneer stereocilia worden afgebogen, trekken ze aan kleine (~ 5 nm in diameter) extracellulaire tiplinks die stereocilia met elkaar verbinden, die krachten overbrengen naar de mechanosensitieve transductiekanalen. Hoewel mechanotransductie al tientallen jaren wordt bestudeerd in levende haarcellen, kunnen de functioneel belangrijke ultrastructurele details van de mechanotransductiemachinerie aan de uiteinden van stereocilia (zoals tiplinkdynamica of transductie-afhankelijke stereocilia remodeling) nog steeds alleen worden bestudeerd in dode cellen met elektronenmicroscopie. Theoretisch hebben scanning probe technieken, zoals atoomkrachtmicroscopie, voldoende resolutie om het oppervlak van stereocilia te visualiseren. Echter, onafhankelijk van de beeldvormingsmodus, beschadigt zelfs het geringste contact van de atoomkrachtmicroscopiesonde met de stereociliabundel meestal de bundel. Hier presenteren we een gedetailleerd protocol voor de hoppping probe ion conductance microscopy (HPICM) beeldvorming van levende knaagdier auditieve haarcellen. Deze contactloze scanning probe-techniek maakt time-lapse beeldvorming van het oppervlak van levende cellen mogelijk met een complexe topografie, zoals haarcellen, met een resolutie van enkele nanometers en zonder fysiek contact met het monster te maken. De HPICM maakt gebruik van een elektrische stroom die door de glazen nanopipette gaat om het celoppervlak in de nabijheid van de pipet te detecteren, terwijl een piëzo-elektrisch systeem met 3D-positionering het oppervlak scant en zijn beeld genereert. Met HPICM waren we in staat om stereociliabundels en de verbindingen die stereocilia met elkaar verbinden in live auditieve haarcellen gedurende enkele uren in beeld te brengen zonder merkbare schade. We verwachten dat het gebruik van HPICM directe verkenning van ultrastructurele veranderingen in de stereocilia van levende haarcellen mogelijk zal maken voor een beter begrip van hun functie.
Ondanks het feit dat stereociliabundels in de auditieve haarcellen groot genoeg zijn om te worden gevisualiseerd door optische microscopie en afgebogen in levende cellen in een patchklemexperiment, konden de essentiële structurele componenten van de transductiemachinerie zoals tiplinks alleen worden afgebeeld met de elektronenmicroscopie in dode cellen. In de auditieve haarcellen van zoogdieren bevindt de transductiemachinerie zich aan de onderkant van de tiplinks, d.w.z. aan de uiteinden van de kortere rij stereocilia1 en lokaal geregeld door de signalering aan de uiteinden van stereocilia2,3. Toch is labelvrije beeldvorming van de oppervlaktestructuren op deze locatie in levende haarcellen niet mogelijk vanwege de kleine afmetingen van stereocilia.
Het slakkenhuis van zoogdieren heeft twee soorten auditieve sensorische cellen: binnenste en buitenste haarcellen. In de binnenste haarcellen zijn stereocilia langer en dikker in vergelijking met die in de buitenste haarcellen4. De eerste en tweede rij stereocilia hebben een diameter van 300-500 nm in binnenste haarcellen van muizen of ratten. Door de diffractie van licht is de maximale resolutie die haalbaar is met een labelvrije optische microscopie ongeveer 200 nm. Vandaar dat visualisatie van individuele stereocilia binnen de eerste en tweede rij van de binnenste haarcelbundel relatief eenvoudig is met optische microscopie. Daarentegen hebben kortere rijen stereocilia in de binnenste haarcellen en alle stereocilia van de buitenste haarcellen diameters rond 100-200 nm en kunnen niet worden gevisualiseerd met optische microscopie5. Ondanks de recente vooruitgang in superresolutiebeeldvorming, blijft deze fundamentele beperking bestaan in elke optische labelvrije beeldvorming. Alle huidige commercieel verkrijgbare superresolutietechnieken vereisen een soort fluorescerendemoleculen 6, wat hun toepassingen beperkt. Naast beperkingen als gevolg van de behoefte aan specifieke fluorescerend gelabelde moleculen, is aangetoond dat blootstelling aan intense lichtbestraling cellulaire schade veroorzaakt en cellulaire processen kan beïnvloeden, wat een groot nadeel is bij het bestuderen van levende cellen7.
Onze huidige kennis van de ultrastructurele details van haarcel stereocilia bundels is meestal verkregen met verschillende elektronenmicroscopie (EM) technieken, zoals scanning elektronenmicroscopie (SEM), transmissie elektronenmicroscopie (TEM), freeze-fracture EM, en onlangs met 3D-technieken zoals seriële sectie met gerichte ionenbundel of cryo-EM tomografie8,9,10,11,12,13, 14,15,16. Helaas vereisen al deze EM-technieken chemische of cryofixatie van het monster. Afhankelijk van de tijdschaal van de verschijnselen, maakt deze vereiste een studie van de dynamische processen aan de uiteinden van stereocilia onmogelijk of zeer arbeidsintensief.
Er zijn beperkte inspanningen geleverd om haarbundels van levende haarcellen in beeld te brengen met atoomkrachtmicroscopie (AFM)17,18. Omdat AFM in fysiologische oplossingen werkt, zou het in theorie dynamische veranderingen in de stereociliabundels van levende haarcellen in de loop van de tijd kunnen visualiseren. Het probleem ligt in de principes van hoge resolutie AFM, wat een zeker fysiek contact tussen de AFM-sonde en het monster impliceert, zelfs in de minst schadelijke "tapmodus"19. Wanneer de AFM-sonde een stereocilium tegenkomt, crasht deze er meestal tegenaan en beschadigt de structuur van de haarbundel. Als gevolg hiervan is deze techniek niet geschikt voor het visualiseren van levende of zelfs vaste haarcellenbundels17,18. Het probleem kan gedeeltelijk worden verlicht door een grote balvormige AFM-sonde te gebruiken die alleen hydrodynamische krachten oplegt aan het oppervlak van het monster20. Hoewel een dergelijke sonde bij uitstek geschikt is om de mechanische eigenschappen van het monster21te testen, biedt deze slechts een resolutie van minder dan een micrometer bij het afbeelden van het orgaan van Corti22 en past het nog steeds een kracht toe op het monster die aanzienlijk kan zijn voor de zeer gevoelige stereociliabundels.
Scanning ion conductance microscopie (SICM) is een versie van scanning probe microscopie die gebruik maakt van een glazen pipet sonde gevuld met een geleidende oplossing23. SICM detecteert het oppervlak wanneer de pipet de cel nadert en de elektrische stroom door de pipet afneemt. Omdat dit gebeurt ruim voordat de cel wordt aangeraakt, is de SICM bij uitstek geschikt voor contactloze beeldvorming van levende cellen in fysiologische oplossing24. De beste resolutie van SICM is in de orde van enkele nanometers, waarmee individuele eiwitcomplexen kunnen worden opgelost bij het plasmamembraan van een levende cel25. Net als bij andere scanning probe-technieken is SICM echter in staat om alleen relatief vlakke oppervlakken in beeld te brengen. We hebben deze beperking overwonnen door het uitvinden van de hoppende sonde ionengeleidingsmicroscoop (HPICM)26, waarbij de nanopipette het monster op elk beeldvormingspunt nadert (Figuur 1A). Met behulp van HPICM konden we stereociliabundels in levende auditieve haarcellen met nanoschaalresolutie27 inbeeld brengen.
Een ander fundamenteel voordeel van deze techniek is dat HPICM niet alleen een imaging tool is. In tegenstelling tot andere scanning probe technieken, is de HPICM/SICM probe een elektrode die veel gebruikt wordt in de celfysiologie voor elektrische opnames en lokale afgifte van verschillende stimuli. Ionkanaalactiviteit interfereert meestal niet met HPICM-beeldvorming, omdat de totale stroom door de HPICM-sonde enkele ordes van grootte groter is dan de extracellulaire stroom die wordt gegenereerd door de grootste ionkanalen25. HPICM maakt echter een nauwkeurige positionering van de nanopipette over een interessante structuur en daaropvolgende eenkanaals patch-clamp-opname van deze structuurmogelijk 28. Dit is hoe we de eerste voorlopige opnames van eenkanaalsactiviteit aan de uiteinden van de buitenste haarcel stereocilia29verkregen . Het is vermeldenswaard dat zelfs een grote stroom door de nanopipette geen significante veranderingen van het potentieel over het plasmamembraan kan veroorzaken als gevolg van enorme elektrische shunt van het extracellulaire medium. Individuele ionkanalen kunnen echter mechanisch worden geactiveerd door vloeistofstroom door de nanopipette30 of chemisch door lokale toepassing van een agonist31.
In HPICM wordt het beeld gegenereerd wanneer een nanopipette het monster op een bepaald punt achtereenvolgens nadert, zich terugtrekt en vervolgens in laterale richting beweegt om de benadering te herhalen (Figuur 1A). Een patchklemversterker past constant spanning toe op een AgCl-draad in de pipet(figuur 1B)om een stroom van ~ 1 nA in de badoplossing te genereren. De waarde van deze stroom wanneer de pipet zich van het oppervlak van de cel bevindt, wordt bepaald als een referentiestroom (Iref, Figuur 1C). Vervolgens beweegt de pipet in de Z-as om het monster te benaderen totdat de stroom wordt verminderd met een hoeveelheid die vooraf is gedefinieerd door de gebruiker (instelpunt), meestal 0,2% -1% van de Iref (figuur 1C, bovenste trace). Het systeem slaat vervolgens de Z-waarde op dit moment op als de hoogte van het monster, samen met X- en Y-coördinaten van dit beeldpunt. Vervolgens wordt de pipet weggetrokken van het oppervlak(figuur 1C,onderste spoor) met een snelheid die door de gebruiker is gedefinieerd, meestal 700-900 nm / ms. Na intrekking wordt de pipet (of, in ons geval, het monster - zie figuur 1B) zijdelings naar het volgende beeldvormingspunt verplaatst, wordt een nieuwe referentiestroomwaarde verkregen en nadert de pipet opnieuw het monster en herhaalt het proces. De X-Y-beweging van de pipet heeft de voorkeur in een rechtopstaande microscoopopstelling die meestal wordt gebruikt voor opnames van de mechanotransductiestromen van de haarcel. In deze instelling benadert de HPICM-sonde de haarcelbundels niet van bovenaf, maar onder een hoek32. De beste resolutie van HPICM-beeldvorming wordt echter bereikt in een omgekeerde microscoopopstelling(Figuur 1A,B),waarbij de beweging van het monster in X-Y-richtingen wordt ontkoppeld van Z-beweging van de nanopipette, waardoor potentiële mechanische artefacten worden geëlimineerd.
Met behulp van HPICM verkregen we topografische beelden van muis en rat binnen- en buitenste haarcel stereocilia bundels, en visualiseerden zelfs de verbindingen tussen de stereocilia die ongeveer 5 nm in diameter26,27zijn. Het succes van beeldvorming van haarcellenbundels met deze techniek is afhankelijk van verschillende factoren. Ten eerste moet de ruis (variantie) van de nanopipettestroom zo klein mogelijk zijn om het laagst mogelijke instelpunt voor HPICM-beeldvorming mogelijk te maken. Een laag instelpunt stelt HPICM-sonde in staat om het stereocilia-oppervlak op een grotere afstand en onder elke hoek ten opzichte van de sondebenadering te "detecteren" en verbetert verrassend genoeg de X-Y-resolutie van HPICM-beeldvorming (zie discussie). Ten tweede moeten de trillingen en driften in het systeem worden verminderd tot minder dan 10 nm, omdat ze direct bijdragen aan de beeldvormingsartefacten. Ten slotte, hoewel de HPICM-sonde en de monstertrap in Z- en X-Y-assen worden verplaatst door de gekalibreerde feedbackgestuurde piëzo-actuatoren met een nauwkeurigheid van een enkele nanometer of beter, bepaalt de diameter van de nanopipettepunt de spreiding van de stroom (detectievolume) en dus de resolutie(figuur 1A). Daarom is het van vitaal belang om, voordat u levende haarcellen in beeld brengt, de juiste pipetten te trekken, de gewenste resolutie te bereiken met kalibratiemonsters en een laag geluidsniveau in het opnamesysteem te bereiken.
Al minstens een paar decennia is de SICM-techniek niet commercieel beschikbaar en is deze door slechts enkele laboratoria ter wereld ontwikkeld met het toonaangevende laboratorium van Prof. Korchev in het Imperial College (VK). Onlangs zijn verschillende SICM-systemen commercieel beschikbaar geworden (zie Tabel met materialen),die allemaal zijn gebaseerd op de oorspronkelijke HPICM-principes. Het afbeelden van stereociliabundels in de haarcellen vereist echter verschillende aangepaste aanpassingen die technisch uitdagend (of zelfs onmogelijk) zijn in de gesloten "ready-to-go" -systemen. Daarom is enige componentintegratie nodig. Aangezien HPICM-opstelling een patchkleminstallatie vertegenwoordigt met strengere trillings- en driftvereisten en een piëzo-aangedreven beweging van de HPICM-sonde en het monster(figuur 1D),is deze integratie relatief eenvoudig voor elke onderzoeker, die bekwaam is in patchklemmen. Een wetenschapper zonder de juiste achtergrond zou echter zeker eerst enige training in elektrofysiologie nodig hebben. Ondanks resterende uitdagingen zoals het verhogen van de snelheid van beeldvorming (zie Discussie),zijn we in staat geweest om stereocilia-bundels in levende haarcellen met nanoschaalresolutie in beeld te brengen zonder ze te beschadigen.
Dit artikel presenteert een gedetailleerd protocol om succesvolle HPICM-beeldvorming uit te voeren van de levende auditieve haarcelbundels in jonge postnatale rat- of muiscochleaire explantaten met behulp van ons aangepaste systeem. De geïntegreerde componenten zijn opgenomen in de tabel met materialen. Het artikel beschrijft ook veelvoorkomende problemen die kunnen worden ondervonden en hoe u deze kunt oplossen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De studie werd uitgevoerd in overeenstemming met de aanbevelingen in de Guide for the Care and Use of Laboratory Animals van de National Institutes of Health. Alle dierprocedures zijn goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) van de Universiteit van Kentucky (protocol 00903M2005).
1. Productie en testen van de nanopipettes
2. Minimaliseren van monsterdriften en trillingen
OPMERKING: Om de mechanische ruis in het systeem tijdens het fotograferen te verminderen, monteert u de monsters op de op maat gemaakte kamers die dikke glasplaten (~ 1,2 mm) gebruiken:
3.De resolutie testen met AFM-kalibratiestandaarden
OPMERKING: Het wordt ten zeerste aanbevolen om AFM-normen in beeld te brengen (zie Tabel met materialen)voordat u levende cellen in beeld brengt om problemen met het systeem op te lossen en de resolutie ervan in de X-Z-Y-assen te testen. De kalibratiestandaarden hebben siliciumdioxidepijlers en gaten van verschillende vormen, maar vaste hoogtes / diepten (d.w.z. 20 of 100 nm) op een siliciumchip van 5 x 5 mm. Beginnen met de 100 nm kalibratiestandaard wordt aanbevolen, om te garanderen dat de Z-resolutie lager is dan 100 nm. Na het bereiken van een succesvol hoge-resolutie beeld van de pilaren of gaten in dit kalibratiemonster(figuur 3A),gaat u naar de 20 nm-standaard. Als de beeldvorming van de laatste standaard succesvol is(figuur 3B),is de resolutie in de Z-as gegarandeerd lager dan 20 nm en geschikt voor de beeldvorming van de haarcelstereociliabundels12. De volgende stappen worden gebruikt om beide kalibratiestandaarden in beeld te brengen.
4. Het maken van op maat gemaakte kamers om de cochleaire explants te beveiligen
OPMERKING: Monteer de cochleaire explants in de kamers met op maat gemaakte klemsystemen die gebruik maken van flexibele glazen pipetten (stap 4.1) (figuur 4A) of tandzijde (stap 4.2) (figuur 4B). De glazen pipetkamer kan worden gesteriliseerd en gebruikt voor de gekweekte organen van Corti, terwijl de tandzijdekamer zorgt voor een veiligere opslag van het monster en een controle over de oriëntatie van de stereociliabundel tijdens de montage. Deze op maat gemaakte kamers moeten van tevoren worden voorbereid, maar ze kunnen worden gereinigd en hergebruikt in verschillende beeldvormingssessies.
5. Het knaagdierorgaan van Corti ontleden
6. Beeldvorming van de auditieve haarcellen
7. Beeldverwerking
OPMERKING: Beeldartefacten komen vaak voor bij HPICM-beeldvorming. Sommigen van hen kunnen worden gecorrigeerd door beeldacquisitieparameters, terwijl andere nabewerking vereisen met een gespecialiseerde SICM-viewer of met meer algemene gegevensverwerkingsprogramma's zoals ImageJ of MatLab. Hier beschrijven we de meest voorkomende artefacten en hoe we ze repareren met SICM viewer.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het protocol dat in dit artikel wordt gepresenteerd, kan worden gebruikt om levende cellen met complexe topografie te visualiseren. Door deze stappen te volgen, verkrijgen we routinematig beelden van levende auditieve haarcelbundels van ratten(Figuur 6B,D). Ondanks het feit dat ze een lagere X-Y-resolutie hebben in vergelijking met SEM-beelden, kunnen onze HPICM-beelden met succes de verschillende rijen stereocilia, de vorm van de stereocilia-tips en zelfs de kleine links (~...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Om succesvolle HPICM-beelden te verkrijgen, moeten gebruikers een geluidsarm en trillingsarm systeem opzetten en geschikte pipetten produceren. We raden ten zeerste aan om AFM-kalibratiestandaarden te gebruiken om de stabiliteit van het systeem te testen voordat u probeert live cell imaging uit te voeren. Zodra de resolutie van het systeem is getest, kunnen gebruikers overwegen om vaste organen van Corti-monsters af te beelden om vertrouwd te raken met de beeldvormingsinstellingen voordat ze live cell imaging proberen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen tegenstrijdige belangen.
We danken Prof. Yuri Korchev (Imperial College, UK) voor de langdurige ondersteuning en het advies in alle fasen van het project. We bedanken ook Drs. Pavel Novak en Andrew Shevchuk (Imperial College, VK) en Oleg Belov (National Research Centre for Audiology, Rusland) voor hun hulp bij softwareontwikkeling. De studie werd ondersteund door NIDCD/NIH (R01 DC008861 en R01 DC014658 tot G.I.F.).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Analog oscilloscope | B&K Precision | 2160C | Analog oscilloscope voor real-time monitoring van nanopipet-stroom en Z-as benadering |
| AFM kalibratiestandaarden | TED PELLA Inc | HS-100MG; HS-20MG | Deze 100 en 20 nm kalibratiestandaarden worden gebruikt om de prestaties van het HPICM-systeem te testen |
| Benchtop vibratie-isolator | AMETEK/TMC | Everstill K-400 | Actieve vibratie-isolatie |
| Borosilicaat glas capillairen | World Precision Instruments (WPI) | 1B100F-4 | Borosilicaat glas capillairen voor de nanopipetten |
| D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | Te worden toegevoegd aan de badoplossing om osmolariteit aan te passen |
| Digitizer | National Instruments Corporation | PCI-6221 | Multi-kanaals input/output digitizer |
| Fast analog Proportional-Integral-Derivative (PID) control voor Z beweging | Standford Research Systems | SIM900, SIM960, SIM980 | Instrumentatiemodules geïntegreerd in een externe PID controller voor Z beweging. Het vereist een snelle respons die meestal niet wordt geïmplementeerd in commerciële piëzo versterkers. |
| Faraday kooi | AMETEK/TMC | Type II | Vereist voor het afschermen van elektromagnetische interferentie |
| Glazen bodemschaal | World Precision Instruments (WPI) | FD5040-100 | Gebruikt als de schaal voor de kamer voor het weefsel |
| Hanks' Balanced Salt Solution (HBSS) | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 14025092 | Extracellulaire (bad) oplossing |
| Instrumentatie versterker | Brownlee Precision | Model 440 | Instrumentatie versterker biedt vereiste offsets, filtering en secundaire vergroting of verzwakking |
| Laser-gebaseerde micropipet-trekker | Sutter Instrument | P-2000/G | Micropipet-trekker om de nanopipetten te fabriceren. Laser is nodig voor scherpe kwarts pipetten. |
| Lebovitz's L-15, zonder fenol rood | Gibco, Thermo Fisher Scientific | 21083027 | Extracellulaire (bad) oplossing |
| Micromanipulator | Scientifica | PatchStar | Gebruikt voor "grof" positionering van de Z piëzo actuator |
| Microscoop | Nikon | Eclipse TS100 | Invers optisch microscoop |
| Patch versterker | Molecular Devices | Axopatch 200B | De patch clamp versterker meet de stroom door de nanopijp |
| Piëzo versterker (XY assen) | Physik Instrumente (PI) | E-500.00, E-505.00, E-509.C2A | Versterking en PID controle voor XY piëzo vertaaltafel |
| Piëzo versterker (Z as) | Piezosystem jena | ENT 400 & 800 | Aangepaste versterker bestaande uit ENT 400 voeding en twee ENT 800 versterkers parallel om een maximale stroom van 1.6 nA te bereiken |
| Kunststof dekglasjes | TED PELLA Inc | 26028 | Gebruikt bij de fabricage van de kamers voor het weefsel |
| SICM controller & software* | Ionscope, UK (ionscope.com) | N/A | Aangepaste controller gebaseerd op SBC6711 digitale signaalverwerkingskaart van Innovative Integration Ltd |
| Siliconen elastomeer (Sylgard) | World Precision Instruments (WPI) | SYLG184 | Gebruikt om de flexibele glazen vezels aan de kamer voor het weefsel te bevestigen |
| Silicium lijm | The Dow Chemical Company | 734 | Gebruikt om de verschillende delen van de kamer voor het weefsel te lijmen |
| Wolfraam staaf | A-M Systems | 717500 | Gebruikt voor het vasthouden van de tandenstokersdraden in de kamer voor het weefsel |
| XY piëzo nanopositioner | Physik Instrumente (PI) | P-733.2DD | XY vertaaltafel met capacitieve sensoren |
| Z piëzo nanopositioner | Piezosystem jena | RA 12/24 SG | Ring piëzoactuator met een spanningsmeetwerkingssensor |
| *Ionscope verkoopt geen afzonderlijke SICM controllers meer. Er zijn enkele andere commerciële systemen: NX12-Bio en NX10 SICM, | |||
| Park Systems, Korea en SICM modules van ICAPPIC Limited, UK (icappic.com). Al deze systemen zijn gebaseerd op de originele | |||
| HPICM principes. Echter, het beeldvormen van stereocilia bundels in de haarcellen vereist verschillende aangepaste modificaties die technisch | |||
| uitdagend (of zelfs onmogelijk) zijn in de gesloten “ready-to-go” systemen zoals Ionscope of NX12-Bio/NX10. Momenteel is er slechts één | |||
| modulaire systeem (ICAPPIC) dat de flexibiliteit heeft om geschikt te zijn voor elk SICM/HPICM experiment maar vereist enige componentenintegratie. |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.