Dit protocol beschrijft de gedetailleerde stappen voor het voorbereiden van netvliesmonsters voor volume-elektronenmicroscopie, met de nadruk op de structurele kenmerken van retinale fotoreceptorterminals.
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.
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
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 de omtrek van blaasjes is duidelijk te zien. Bovendien is het contrast van afbeeldingen verkregen met behulp van de OTO-methode ook duidelijker.
Figuur 2 illustreert de experimentele workflow die wordt gebruikt voor het reconstrueren van de ultrastructurele kenmerken van fotoreceptorterminals. De reconstructie concentreerde zich op vier soorten fotoreceptorterminals, waaronder M-kegelsteeltjes, S-kegelsteeltjes, staaf1-bolletjes en staaf2-bolletjes. De nadruk lag vooral op essentiële componenten, zoals mitochondriën, synaptische linten en synaptische blaasjespoelen in de fotoreceptorterminals.
Figuur 3 toont de gereconstrueerde mitochondriën en synaptische linten in de fotoreceptoruiteinden van de staaf. Met name de synaptische linten van de staaf2-bolletjes vertonen een kenmerkende hoefijzervorm, meestal met een enkel lint per bol. Bovendien benadrukt figuur 2 de aanwezigheid van twee mitochondriën in staafbolletjes, met een consistente positie in de centrale ruimte van de terminals, gelegen boven de synaptische linten. Alle structuren werden manueel getraceerd, pagina voor pagina.

Figuur 1: Voorbeelden van beelden die zijn bemonsterd met behulp van FIB-SEM voor de traditionele chemische dubbele fixatiemethode en de OTO-methode. (A) Traditionele chemische dubbele fixatiemethode. (B) OTO-methode. Schaal balk: 1000 nm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: 3D-reconstructieworkflow voor fotoreceptorterminals met behulp van FIB-SEM. Na uitlijning met behulp van 3D-datavisualisatiesoftware werden de seriële beelden handmatig gesegmenteerd en gerenderd voor verdere analyse. (A) Originele seriële afbeeldingen. (B) Uitgelijnde afbeeldingen. (C) Gesegmenteerde afbeeldingen. (D) Gereconstrueerde beelden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: 3D reconstructie. De representatieve 3D-reconstructiebeelden tonen fotoreceptorterminals in wit, mitochondriën in oranje en synaptische linten in blauw. Schaal balk: 500 nm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur 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 ontbreken van regionale verschillen. Bestaande uit drie lagen neuronale cellichamen en twee lagen synaptische verbindingen, vertoont het netvlies een regelmatige en hiërarchische structuur, ondanks de complexiteit van zijn neuronale en synaptische componenten20. Bij het ontleden van het netvlies wordt het absoluut noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de dunne strips tot een minimum worden beperkt om een uniform contrast te garanderen in de volgende fasen van de monstervoorbereiding. De uiteinden van de fotoreceptoraxonen, kritieke structuren van belang, bevinden zich in de buitenste plexiforme laag (OPL) van het netvlies. De hiërarchische en georganiseerde aard van het netvlies zorgt voor een efficiënte lokalisatie van de doelstructuren, waardoor nauwkeurige bemonstering tijdens EM wordt vergemakkelijkt en de nauwkeurigheid van de daaropvolgende 3D-reconstructieresultaten wordt gegarandeerd.
Volume EM vergemakkelijkt driedimensionale visualisatie van lokale neurale circuits en synaptische verbindingen in het netvlies op nanoschaal, met behulp van seriële secties 21,22. Deze techniek maakt het mogelijk om automatisch 3D-beelden met een hoge resolutie te genereren, en FIB-SEM heeft het potentieel om ingewikkelde details van zowel fysiologische als pathologische activiteiten te onthullen. Daarom is het van cruciaal belang om een stabiel beeldcontrast over het hele blok te behouden tijdens het monstervoorbereidingsproces. Om een uniforme geleidbaarheid te bereiken, gebruiken we de pre-embedding OTO-methode, een klassieke benadering die algemeen wordt erkend vanwege zijn effectiviteit bij het verbeteren van het contrast in scanning-elektronenmicroscopie (SEM)18,23,24. Deze methode omvat een dubbele osmiumcoating in combinatie met thiocarbohydrazide, waardoor een optimale bulkgeleidbaarheid voor grote monsters wordt gegarandeerd. Bovendien draagt de dubbele osmiumbehandeling bij aan het superieure behoud van lipidemembraanstructuren, wat een precisielaag toevoegt aan ons onderzoek. De netvliesmonsters zijn hiërarchisch, de weefselblokkades zijn klein en gemakkelijk te penetreren, en de OTO-methode kan een betere celmembraancontour en uniform beeldcontrast behouden.
Verschillende kritische factoren dragen bij aan het succes van dit protocol. Ten eerste zijn snelle oogst van het netvlies en nauwkeurige fixatietijden van het grootste belang voor het behoud van een optimale subcellulaire structuur. Ten tweede is het essentieel om te zorgen voor de juiste concentraties osmium en thiocarbohydrazide om het contrast in de membraanstructuur van de seriebeelden te behouden. Met name osmium speelt een cruciale rol door zich te binden aan lipidemoleculen, waardoor het BSE-signaal wordt versterkt.
Ons protocol voor de voorbereiding van netvliesmonsters is gebruiksvriendelijk, vereist geen extra apparatuur en minimaliseert de verwerkingstijd. Deze eigenschap benadrukt de potentiële toepasbaarheid ervan op andere Volume EM-technieken, wat veelzijdigheid en gebruiksgemak in diverse experimentele opstellingen suggereert. De methode van de OTO verbetert met name het contrast van FIB-SEM-beelden. De details over het celmembraan, met name de dubbellaagse structuur, kunnen echter nog steeds enigszins wazig lijken. Ons huidige monstervoorbereidingsschema houdt in dat kleine details in de celstructuur tot op zekere hoogte worden opgeofferd. We streven ernaar om in de toekomst geoptimaliseerde methoden te ontwikkelen om deze beperking aan te pakken en te verbeteren.
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).
| 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 |