Fluorescentiemicroscopie, hoewel veel gebruikt voor het labelen en visualiseren van specifieke moleculen in cellen, wordt inherent beperkt in resolutie door Abbe's diffractielimiet van licht1, die het vermogen beperkt om onderscheid te maken tussen objecten dichterbij dan ongeveer 200-250 nm. Deze beperking komt voort uit de golfaard van het licht en de numerieke apertuur van de objectieflens van de microscoop, wat een uitdaging vormt bij het afbeelden van subcellulaire structuren. Het overwinnen van deze beperkingen zorgt voor een beter inzicht in bepaalde biologische processen op nanometrische schaal.
Om de diffractielimiet van licht te overschrijden, zijn superresolutiemicroscopietechnieken zoals STORM (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) en STED (Stimulated Emission Depletion) ontwikkeld 2,3. STORM is gebaseerd op de stochastische activering van fluoroforen, waardoor op een bepaald moment slechts een schaarse subset kan worden afgebeeld. Dit maakt de nauwkeurige lokalisatie van individuele fluoroforen mogelijk, waardoor een beeld met een hoge resolutie kan worden gereconstrueerd. STED, aan de andere kant, verbetert de resolutie door een uitputtingslaser te gebruiken om de fluorescentie rond de omtrek van de excitatieplek selectief te doven, waardoor de puntspreidingsfunctie effectief wordt verkleind.
Deze benaderingen staan in contrast met breedveld- of confocale microscopie, waarbij alle fluoroforen tegelijkertijd worden gedetecteerd, wat resulteert in een beeld dat alle diffractiepatronen combineert en het onderscheid tussen nabijgelegen individuele fluoroforen voorkomt, wat leidt tot verlies van resolutie. Deze superresolutiemethoden vereisen echter zeer specifieke lichtbronnen, apparatuur, monstervoorbereiding en/of fluoroforen, waardoor deze technologieën kostbaar zijn, moeilijk toegankelijk in de meeste laboratoria en moeilijk te implementeren in routinematige experimenten. Deze beperkingen hebben ertoe geleid dat de wetenschappelijke gemeenschap op zoek is gegaan naar alternatieve oplossingen om een hogere resolutie te bereiken, die compatibel zouden zijn met direct beschikbare microscopieapparatuur en routinematige kleuringsprotocollen. In 2015 ontwikkelden Boyden en collega's een methode om de beperkingen van optische microscopie te omzeilen door het monster fysiek uit te breiden, genaamd Expansion Microscopy (ExM)4.
ExM is een methode in drie stappen die details op nanoschaal van biologische monsters biedt zonder de diffractielimiet van licht te overschrijden (Figuur 1). In plaats daarvan gebruikt het conventionele diffractie-beperkte microscopen om monsters af te beelden die fysiek op een isotrope manier zijn vergroot. De eerste stap, geleervorming genaamd, bestaat uit het inbedden van het biologische monster, meestal gefixeerde cellen of weefsels, in een zwellende polyelektrolythydrogel op basis van natriumacrylaat en acrylamide. Het biologische monster ondergaat vervolgens een enzymatische behandeling om bepaalde componenten, zoals eiwitten of membranen, gedeeltelijk af te breken en dichte cellulaire structuren af te breken om ervoor te zorgen dat cellen gelijkmatig kunnen uitzetten. Deze stap, digestie genaamd, helpt dit te bereiken door de structurele componenten van het monster te homogeniseren met betrekking tot mechanische eigenschappen, waardoor differentiële uitzetting wordt voorkomen die zou kunnen leiden tot vervorming van het monster. Ten slotte, in de laatste stap, expansie genaamd, wordt het in hydrogel ingebedde en verteerde monster in gedeïoniseerd water geplaatst, waardoor het opzwelt. Deze technologie resulteert in een uitbreiding van het monster met een lineaire vergrotingsfactor van ongeveer 4-5x in elke dimensie, waardoor de visualisatie van fijne cellulaire details mogelijk is met behulp van standaard microscopietechnieken. Gezien de isotrope aard van de expansie, behoudt het biologische monster dat binnen de gelmatrix is vergroot zijn driedimensionale geometrische details en de ruimtelijke relaties tussen de verschillende structurele componenten. Ruimtelijke informatie blijft dus behouden bij zwelling, terwijl de afstand tussen de gel-verankerde fluorescerende labels of biomoleculen in alle richtingen gelijkmatig toeneemt. Dit zorgt voor een betere scheiding van signalen, wat resulteert in een verbeterde resolutie.

Figuur 1: Overzicht van het ExM-protocol. (a) Geleer: Het biologische monster wordt verankerd en ingebed in een opzwelbare polyelektrolythydrogel. (b) Spijsvertering: De mechanische eigenschappen van het monster worden gehomogeniseerd door het gebruik van enzymen en detergenten, waarbij eiwitten en lipidemembranen worden afgebroken die anders de expansie zouden beperken en vervormingen zouden veroorzaken. (c) Uitzetting: De hydrogel wordt ondergedompeld in gedeïoniseerd water, waardoor het isotroop uitzet. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Sinds 2015 heeft ExM aanzienlijke technologische verbeteringen gezien in het bewaren van ruimtelijke informatie. In het bijzonder zijn er verschillende moleculaire ankers ontworpen om biomoleculen covalent rechtstreeks aan de zwellende hydrogelte hechten 5,6. In dit protocol gebruikten we N-acryloxysuccinimide (NAS), dat reageert met de vrije aminegroepen van biomoleculen (meestal lysineresiduen of N-terminale posities van eiwitten) om een acryloylgroep te bioconjugeren met de eiwitten van de cel, inclusief glycoproteïnen. Deze acryloylgroep reageert vervolgens met andere monomeren door middel van verknopingsreacties tijdens geleervorming, waardoor deze biomoleculen rechtstreeks aan het polymeer worden verankerd.
ExM is compatibel met een breed scala aan etiketteringsmethoden, waaronder Metabolic Oligosaccharide Engineering (MOE). MOE is een krachtig hulpmiddel dat de etikettering van glycanen mogelijk maakt door analogen van metabole precursoren op te nemen die zijn uitgerust met een bioorthogonaal chemisch handvat7. Deze analogen, bekend als chemische reporters, integreren in metabole routes zonder toxiciteit te veroorzaken. In de MOE-benadering worden reporter-monosacchariden metabolisch verwerkt tot geactiveerde nucleotidesuikers en vervolgens overgebracht naar ontluikende glycoconjugaten. Onze primaire focus ligt op de studie van sialylering, met name de intracellulaire dynamiek en het transport van gesialyleerde N-glycoproteïnen, die cruciaal is in de context van gezondheid en ziekte vanwege zijn rol in cel-celinteracties, immuunregulatie en ontwikkeling. Abnormale sialylering is betrokken bij ziekten zoals kanker 8,9,10,11, infectieziekten 12 en genetische aandoeningen 13,14,15, waardoor het een belangrijk doelwit is voor therapeutische ontwikkeling en ontdekking van biomarkers. Inzicht in sialylering verbetert het inzicht in glycobiologie en ziektemechanismen.
Sialylering kan worden onderzocht met behulp van MOE met analogen van N-acetylneuraminezuur (Neu5Ac), het meest voorkomende siaalzuur bij mensen, of met analogen van N-acetylmannosamine (ManNAc), een metabole voorloper van Neu5Ac, met een bioorthogonaal handvat 8,16. ManNAc wordt in het cytosol omgezet in Neu5Ac en vervolgens geactiveerd in cytidine-5′-monofosfo-N-neuraminezuur (CMP-Neu5Ac) in de kern. Eenmaal geactiveerd tot een nucleotidesuiker, brengen sialyltransferasen in het Golgi-apparaat Neu5Ac-eenheden over naar de terminale posities van groeiende glycaanketens (Figuur 2). Na de metabolische incorporatie van onnatuurlijke ManNAc-derivaten kunnen de gelabelde gesialyleerde glycanen covalent worden gekoppeld aan een fluorofoor met een reactieve groep die complementair is aan de reporterhandle door middel van bioorthogonale klikchemie. Dit maakt de directe waarneming van glycoconjugaten in vivo of ex vivo mogelijk.
Voor de meeste monosacharidereporters is een geperacetyleerde vorm nodig om het plasmamembraan via passieve diffusie te passeren. Er is echter aangetoond dat zowel geperacetyleerde als onbeschermde melders sialylatie16 efficiënt onderzoeken. Onbeschermde sialyleringsreporters kunnen cellen binnendringen via actieve transportmechanismen, namelijk pinocytose voor Neu5Ac-analogen en een nog niet geïdentificeerde transporter voor ManNAc. Hoewel onbeschermde suikers een hogere concentratie nodig hebben (meestal 100-500 μM) om vergelijkbare effecten te bereiken, kunnen ze, eenmaal in de cel, direct de stofwisselingsroute van siaalzuur binnendringen. Daarentegen moeten geperacetyleerde suikers volledig worden gedeacetyleerd door intracellulaire niet-specifieke esterasen voordat ze metabolisch actief worden. Hoewel ze in lagere concentraties kunnen worden gebruikt (meestal 10-50 μM), kan onvolledige deacetylering de enzymactiviteit verstoren of leiden tot de opname van gedeeltelijk geacetyleerde siaalzuuranalogen, waardoor de stroomafwaartse analyse mogelijk wordt scheefgetrokken. Bovendien kan de afgifte van azijnzuur de pH lokaal beïnvloeden, wat mogelijk de cellulaire functie kan beïnvloeden. Chen en collega's hebben ook aangetoond dat per-O-geacetyleerde suikers reageren met vrije cysteïneresiduen in eiwitten via een niet-enzymatisch mechanisme, wat leidt tot off-target opname en een verhoogd niet-specifiek signaal17,18. In het voorliggende protocol maken we daarom gebruik van onbeschermde ManNAc-melders.

Figuur 2: Metabole oligosacharide engineering en labeling van siaalzuren. UDP-GlcNAc wordt geconverteerd naar ManNAc door UDP-GlcNAc 2-epimerasedomein van GNE/MNK in het cytosol. ManNAc wordt vervolgens in het cytosol gefosforyleerd door het ManNAc 6-kinasedomein van GNE/MNK om ManNAc-6-fosfaat te vormen. N-acetylneuraminaatsynthase katalyseert de condensatie van ManNAc-6-P met fosfoenolpyruvaat om Neu5Ac-9-fosfaat te produceren, dat vervolgens wordt gedefosforyleerd door siaalzuurfosfatase om Neu5Ac. Neu5Ac kan ook worden gevoed via de bergingsroute via endocytose en lysosomale recycling8. Na transport naar de kern wordt het omgezet in CMP-Neu5Ac door CMP-siaalzuursynthetase. In het Golgi-apparaat is CMP-NeuAc het substraat van sialyltransferasen die een Neu5Ac-groep introduceren op de terminale posities van glycanen op rijpende glycoconjugaten, die uiteindelijk tot expressie worden gebracht in het celmembraan of worden uitgescheiden. ManNAz chemische reporters met een bioorthogonaal handvat kunnen de cel binnendringen via een niet-geïdentificeerde actieve transporter en de metabole route binnendringen. De gelabelde Neu5Az-eenheden die na biosynthese in glycanen zijn opgenomen, worden vervolgens gelabeld door middel van CuAAC-gemedieerde conjugatie van een fluorescerende sonde. Afkortingen: NAc = N-acetyl; UDP-GlcNAc = Uridinedifosfaat N-acetylglucosamine; ManNAc = N-acetylmannosamine; GNE = UDP-GlcNAc 2-epimerase; MNK = ManNAc 6-kinase; ManNAc-6-P = ManNAc-6-fosfaat; NANS = N-acetylneuraminaat synthase; PEP = fosfoenolpyruvaat; Neu5Ac = N-acetylneuraminezuur; Neu5Ac-9-P = Neu5Ac-9-fosfaat; NANP = siaalzuurfosfatase; CMP = cytidine-5′-monofosfaat; CMAS = CMP-siaalzuursynthetase; ST's = sialyltransferasen; ManNAz = N-azidoacetylmannosamine; Neu5Az = N-azidoacetylneuraminezuur. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Van de mogelijke bioorthogonale reacties hebben we onze interesse gericht op de door koper gekatalyseerde azide-alkyne cycloadditie (CuAAC)16,19. Volgens onze ervaring is CuAAC de beste optie voor het labelen van intracellulaire glycanen in vaste cellen. Deze reactie is goed ingeburgerd, grondig bestudeerd in de bioorthogonale chemie en is gestandaardiseerd voor gebruik in complexe biologische omgevingen, waardoor een solide basis van kennis en geoptimaliseerde protocollen wordt geboden. De snelle kinetiek biedt inderdaad een hoge reactie-efficiëntie en specificiteit, en het omvat azide- en alkynegroepen die gemakkelijk te synthetiseren, stabiel zijn, afwezig zijn in levende systemen en inert zijn ten opzichte van inheemse biomoleculen, waardoor het ideaal is voor toepassingen met vaste cellen waar kopertoxiciteit geen probleem is. Door spanning gepromote alkyne-azide cycloadditie (SPAAC)20,21 vermijdt weliswaar kopertoxiciteit, maar heeft een langzamere kinetiek en omvangrijkere sondes, wat doorgaans leidt tot een hoger achtergrondsignaal en een verminderde signaal-ruisverhouding voor intracellulaire toepassingen als gevolg van hydrofobe insluiting, terwijl Inverse Electron Demand Diels-Alder (IEDDA)22,23, hoewel snel en kopervrij, omvat complexere sondesynthese en vereist omvangrijkere reportergroepen die nog niet volledig zijn gekarakteriseerd in MOE-toepassingen. Aangezien ExM uitsluitend vaste cellen vereist, biedt CuAAC een robuuste en efficiënte oplossing voor bioorthogonale etikettering.
Dit artikel presenteert een protocol voor de visualisatie van intracellulaire gesialyleerde glycoproteïnen in cellen, waarbij metabole labeling, bioorthogonale klikchemie en expansiemicroscopie worden gecombineerd. In de experimentele procedures die in dit artikel worden beschreven, gebruiken we N-azidoacetylmannosamine (ManNAz) als de chemische reporter, en CuAAC-ligatie van kleine organische fluoroforen wordt uitgevoerd voorafgaand aan de expansieprocedure. Glycoproteïnen worden verankerd aan de hydrogel met NAS voorafgaand aan gelering, vertering en expansie. De MOE-labeling van siaalzuren kan worden geassocieerd met immunofluorescentiebenaderingen voor co-lokalisatiebeoordeling, zoals hier wordt geïllustreerd met een anti-GM130 primair antilichaam van de muis gelokaliseerd in het cis-Golgi-apparaat. Dit protocol kan worden toegepast op cellen in hun fysiologische toestand, of op cellen die een chemische behandeling hebben ondergaan. Om dit te illustreren, werd chloroquine gebruikt om de lysosomale functie te remmen, die de verwerking en het transport van glycoproteïnen in cellen beïnvloedt. Nucleaire kleuring wordt gebruikt als een herkenningspunt, niet alleen om cellen te lokaliseren, maar ook als een indicator van de kwaliteit van het ExM-proces. De expansiefactor kan inderdaad worden gemeten door de grootte van de kern vóór de expansie (preExM) en de post-expansie (postExM) te vergelijken.