Dit protocol beschrijft de gedetailleerde stappen voor het voorbereiden van netvliesmonsters voor volume-elektronenmicroscopie, met de nadruk op de structurele kenmerken van retinale fotoreceptorterminals.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Dit protocol beschrijft de gedetailleerde stappen voor het voorbereiden van netvliesmonsters voor volume-elektronenmicroscopie, met de nadruk op de structurele kenmerken van retinale fotoreceptorterminals.
Volume-elektronenmicroscopie (Volume EM) is naar voren gekomen als een krachtig hulpmiddel voor het visualiseren van de 3D-structuur van cellen en weefsels met precisie op nanometerniveau. Binnen het netvlies brengen verschillende soorten neuronen synaptische verbindingen tot stand in de binnenste en buitenste plexiforme lagen. Hoewel conventionele EM-technieken waardevolle inzichten hebben opgeleverd in subcellulaire organellen van het netvlies, ligt hun beperking in het verstrekken van 2D-beeldgegevens, wat nauwkeurige metingen kan belemmeren. Het kwantificeren van de grootte van drie verschillende synaptische blaasjespoelen, cruciaal voor synaptische transmissie, is bijvoorbeeld een uitdaging in 2D. Volume EM biedt een oplossing door grootschalige, hoge resolutie 3D-data aan te bieden. Het is vermeldenswaard dat monstervoorbereiding een cruciale stap is in Volume EM, wat een aanzienlijke invloed heeft op de helderheid en het contrast van het beeld. In deze context schetsen we een protocol voor de voorbereiding van monsters voor de 3D-reconstructie van fotoreceptor-axonuiteinden in het netvlies. Dit protocol omvat drie belangrijke stappen: netvliesdissectie en -fixatie, processen voor het inbedden van monsters en selectie van het interessegebied.
Het netvlies is dicht opeengepakt met met elkaar verstrengelde neuronale axonen en dendrieten die synapsen tussen hen vormen1. Microscopie is een onmisbaar hulpmiddel bij het bestuderen van de anatomie van het netvlies, omdat het fijne, ingewikkelde en kleine structuren heeft. Hoewel elektronenmicroscopie (EM) een ongeëvenaard vermogen biedt om de ultrastructuur van subcellulaire organellen en de nauwkeurige lokalisatie van specifieke eiwitten op nanometerniveau2 te onderzoeken, produceert het beelden die beperkt zijn tot het tweedimensionale (2D) vlak, wat leidt tot mogelijk verlies van belangrijke informatie.
De ontwikkeling van opkomende technieken voor volume-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (Volume EM) ondersteunt de verstrekking van uitgebreidere en grootschaligere driedimensionale (3D) structurele informatie. Sommige 3D EM-methoden zijn onlangs beoordeeld door andere 3,4,5. 3D EM maakt de reconstructie van neuronale vorm- en connectiviteitsdetails mogelijk, waardoor nauwkeurige kwantitatieve analyse van interessante structuren mogelijk is. Dit toont aan dat de gegevens die door volume EM worden verkregen, systematischer, vollediger en nauwkeuriger zijn.
Retinale fotoreceptoren, die de initiële neuronen vormen in visuele signalering 6,7, brengen synapsen tot stand met dendrieten van bipolaire en horizontale cellen van de tweede orde in de terminal van de fotoreceptor om exciterende signalen te vergemakkelijken 8,9. Deze terminals, aangeduid als kegelsteeltjes en staafbolletjes, omvatten drie cruciale componenten: mitochondriën, synaptische linten en synaptische blaasjes. Hoewel eerdere studies zich voornamelijk hebben geconcentreerd op de algemene structuur van lintsynapsen, is er een opmerkelijke afwezigheid van onderzoek naar de fijne structuur van belangrijke componenten, waaronder mitochondriën, lint, blaasjespoelen en hun ruimtelijke organisatie in terminals 10,11,12,13. Een nauwkeurige en systematische analyse van elke component, samen met een goed begrip van hun onderlinge associatie binnen fotoreceptorterminals, is van vitaal belang voor het ontrafelen van de ruimtelijke organisatie en het volledig begrijpen van visuele verwerkingsfuncties. In fotoreceptoren zijn mitochondriën voornamelijk aanwezig in het binnenste segment, het cellichaam en het terminale. We concentreerden ons hier op de mitochondriën in de terminale fotoreceptoren. Gefocusseerde ionenbundelscanning-elektronenmicroscopie (FIB-SEM), een type volume-EM met een hoge resolutie (x-, y- en z-resolutie < 5 nm) en een relatief grote volumeflux 4,14, staat als een krachtig hulpmiddel voor het nauwkeurig visualiseren van de 3D-structuur van fotoreceptorterminals.
Zowel FIB-SEM als de Serial Block Face Scanning Electron Microscope (SBF-SEM) zijn Volume EM gebaseerd op SEM voor het verkrijgen van het beeld van weefsels door het oppervlak van het monster te scannen. De ultrastructurele kenmerken van het oppervlak van een monster worden onthuld door het contrast dat wordt gecreëerd door de intensiteit van secundaire of terugverstrooide elektronen (BSE) wanneer de elektronenbundel het monster scant15. In wezen maakt het detecteren van BSE of secundaire elektronen uit de dwarsdoorsnede van een in hars ingebed weefselmonster in SEM het mogelijk om beelden van het ingebedde monster te verkrijgen16,17. Wanneer BSE of secundaire elektronen minder worden gegenereerd, kan alleen informatie over het oppervlak van het monster worden verkregen. Het bereiken van een consistent contrast en seriële beelden van hoge kwaliteit vereist voldoende afzetting van zware metalen in het monster. Daarom zijn specifieke protocollen voor monstervoorbereiding cruciaal voor latere segmentatie, 3D-reconstructie en analyse bij het gebruik van SEM voor seriële beeldvorming. De osmium-thiocarbohydrazide-osmium (OTO)-methode is een typisch monstervoorbereidingsschema voor 3D-elektronenmicroscopie van biologische monsters, waarbij de structuur van lipidebevattende membranen behouden blijft en een goed contrast behoudenblijft 18,19.
Hier ontwikkelden we de OTO-methode voor de voorbereiding van netvliesmonsters voor het gebruik van Volume EM. Dit proces richt zich met name op het ontleden van het netvlies, het bepalen van de optimale fixatietijd voor netvliesweefsel en het gedetailleerd beschrijven van de specifieke procedures en voorzorgsmaatregelen bij de voorbereiding van 3D-monsters. Bovendien zijn segmentatie en 3D-reconstructie van de doelstructuur integrale stappen in deze uitgebreide toepassing. Het netvlies, een kleine en uitdagende structuur om materialen uit te verkrijgen, vereist snelle en nauwkeurige operaties voor EM, met vaste tijden en verse reagentia die zijn voorbereid voor onmiddellijk gebruik.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De protocollen voor dierverzorging en -gebruik werden goedgekeurd door de ethische commissie van de Wenzhou Medical University en volgden de richtlijnen die waren opgesteld door de Association for Research in Vision and Ophthalmology (ARVO). Alle muizen werden gehouden in een 12-uurs licht- en 12-uurs donkercyclus en kregen een standaard chow-dieet.
1. Ontleding en fixatie van het netvlies
2. Voorbeeld inbeddingsproces
3. Selectie van het interessegebied
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Figuur 1A toont het beeld van retinale fotoreceptorterminals die zijn bereid met behulp van de traditionele chemische dubbele fixatiemethode, en Figuur 1B toont het beeld van retinale fotoreceptorterminals die zijn bereid met behulp van de OTO-methode. Beide werden bemonsterd door FIB-SEM. Het is duidelijk te zien dat de celmembraanstructuur zoveel mogelijk behouden kan blijven door gebruik te maken van de OTO-methode, en zelfs ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
We hebben het Volume EM-monstervoorbereidingsprotocol van de OTO geïmplementeerd om de terminale structuur van de fotoreceptoren in netvliesweefsel te analyseren. De focus lag op het detailleren van de hele procedure, beginnend bij het losmaken en fixeren van het netvlies tot het presenteren van de resultaten van 3D-reconstructie van fotoreceptor-axonterminals.
Het onderscheidende kenmerk van netvliesweefsel, in tegenstelling tot hersenweefsel, ligt in het ont...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen openbaarmakingen.
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door subsidies van het National Key Research and Development Program of China (2022YFA1105503), State Key Laboratory of Neuroscience (SKLN-202103), Zhejiang Natural Science Foundation of China (Y21H120019).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 2,2,2-Tribromoethanol | Sigma-Aldrich | T48402 | |
| Acetone | Electron Microscopy Science | 10000 | |
| Amira 6.8 | Thermo Fisher Scientific | ||
| CaCl2 | Sigma | C-2661 | |
| Inbeddingsvorm | Beijing Zhongjingkeyi Technology | GP10590 | |
| Epon-hars | Electron Microscopy Science | 14900 | |
| Ethanol | Sigma | 64-17-5 | |
| Glutaraldehyde | Electron Microscopy Science | 16020 | |
| Helios NanoLab 600i dual-beam SEM | FEI | ||
| L-asparaginezuur | Sigma | 56-84-8 | |
| Lodzijn | Sigma | 10099-74-8 | |
| Na2HPO4.12H2O | Sigma | 71650 | Een component van fosfaatbuffer |
| NaH2PO4.H2O | Sigma | 71507 | Een component van fosfaatbuffer |
| OsO4 | TED PELLA | 4008-160501 | |
| Paraformaldehyde | Electron Microscopy Science | 157-8 | |
| Kaliumferrocyanide | Sigma | 14459-95-1 | |
| Natriumcacodylaat | Sigma | 6131-99-3 | |
| Sputterschild | Leica | ACE200 | |
| Thiocarbohydrazide | Sigma | 2231-57-4 | |
| Uranylacetaat | TED PELLA | CA96049 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.