Name: Universele moleculaire retentie met 11-voudige expansiemicroscopie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-10-06T12:20:00.000+00:00
Duration: 10 min 31 s
Description: Ontdek Magnify, een geavanceerde expansiemicroscopie-methode die biologische monsters tot 11-voudig kan uitbreiden met behoud van diverse biomoleculen. Deze techniek maakt nanoschaalbeeldvorming mogelijk met standaard microscopen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd ondersteund door Carnegie Mellon University en de D.S.F. Charitable Foundation (Y.Z. en X.R.), de National Institutes of Health (N.I.H.) Director's New Innovator Award DP2 OD025926-01, en de Kauffman Foundation.

Alle experimentele procedures met dieren werden uitgevoerd in overeenstemming met de richtlijnen van de National Institutes of Health (NIH) en werden goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee aan de Carnegie Mellon University. Menselijke weefselmonsters werden commercieel verkregen.
1. Bereiding van de voorraadreagentia en -oplossingen
OPMERKING: Raadpleeg de materiaaltabel voor een lijst van de gebruikte reagentia.
<ol><li>Bereid de geleerbouillonoplossingen voor. Deze worden direct voor de geleerstap gecombineerd.<ol><li>Bereid de monomeer-stockoplossing (4 g/100 ml N,N- dimethylacrylamidezuur [DMAA], 50 g/100 ml natriumacrylaat [SA], 66,7 g/100 ml acrylamide [AA], 0,10 g/100 ml N,N′-methyleenbisacrylamide [Bis], 33 g/100 ml natriumchloride [NaCl], 1x fosfaatgebufferde zoutoplossing; PBS) met behulp van de in tabel 1 vermelde componenten. Los alle stamoplossingen op of verdun ze in water. De monomeer-stamoplossing kan gedurende ten minste 3 maanden bij 4 °C worden bewaard.</li>
		<li>Maak de volgende stamoplossingen afzonderlijk in water: 0,5% (w / w) 4-Hydroxy-TEMPO (4HT), dat gelatie remt tijdens monomeerdiffusie in de weefsels, en 10% (w / w) tetramethylethyleendiamine (TEMED), dat de radicale generatie versnelt die wordt geïnitieerd door ammoniumpersulfaat (APS) en wordt bereid bij 10% (w / w). OPMERKING: De stamoplossingen kunnen worden verdeeld in aliquots van 1-2 ml en gedurende maximaal 3 maanden bij 4 °C worden bewaard; APS wordt echter onmiddellijk vóór het bereiden van de geleeroplossing gemaakt.</li>
	</ol></li>
	<li>Bereid de homogenisatiebuffer (1% m/v S.D.S., 8 M ureum, 25 mM EDTA, 2x PBS, pH 8, bij kamertemperatuur [R.T.]) door 1 g SDS, 48,048 g ureum, 5 ml EDTA (0,5 M, pH 8), 20 ml 10x PBS, 25 ml Tris (2 M) en 0,75 g glycine te combineren. Voeg water toe voor een totaal volume van 100 ml. De oplossing kan naar behoefte omhoog of omlaag worden geschaald en kan bij R.T. worden opgeslagen.</li>
</ol>2. Weefselvoorbereiding voor gearchiveerde en vers bereide klinische weefselglaasjes
OPMERKING: De weefselvoorbewerkingsstappen verschillen afhankelijk van hoe de monsters worden bereid.
<ol><li>Volg de onderstaande stappen voor klinische monsters met formaldehyde-gefixeerde paraffine (FFPE).<ol><li>Plaats de monsters in een opeenvolgende reeks oplossingen (een glazen plaatkleurpot of een conische buis van 50 ml kan worden gebruikt): xyleen, 95% ethanol, 70% ethanol en 50% ethanol, gevolgd door dubbel gedeïoniseerd water. Gebruik elke oplossing twee keer gedurende ten minste 3 minuten elke keer. Gebruik een tang om de dia in de container te plaatsen en voeg 15 ml van de betreffende oplossing toe (genoeg om het monster te bedekken). Plaats de afgedekte conische buis horizontaal op een schudder bij kamertemperatuur.</li>
	</ol></li>
	<li>Volg de onderstaande stappen voor monsters die zijn gekleurd en gemonteerd op permanente dia's.<ol><li>Plaats de dia kort in xyleen en verwijder de afdekstroken voorzichtig met een geschikt gereedschap, zoals een scheermesje. Als de dekslip vast blijft zitten, brengt u de dia's in xyleen terug naar kamertemperatuur totdat de dekplaat loskomt.</li>
		<li>Verwerk de monsters vervolgens als FFPE-monsters (stap 2.1.1). OPMERKING: Voor hematoxyline en eosine (H &E) -gekleurde dia's gaat de hematoxyline- en eosinekleuring verloren tijdens het expansieproces.</li>
	</ol></li>
	<li>Voor niet-gefixeerde bevroren weefselglaasjes in een optimale snijtemperatuur (OCT)-oplossing, fixeert u de weefsels in aceton gedurende 10 minuten bij −20 °C voordat u de monsters driemaal wast met 1x PBS-oplossing gedurende 10 minuten telkens bij kamertemperatuur.</li>
	<li>Voor eerder gefixeerde bevroren klinische weefselglaasjes, smelt u de OCT door de dia's gedurende 2 minuten bij kamertemperatuur te incuberen en wast u vervolgens drie keer met 1x PBS-oplossing gedurende 5 minuten telkens op kamertemperatuur.</li>
</ol>3. Weefselvoorbereiding voor paraformaldehyde-gefixeerde muizenhersenen
<ol><li>Volg dit protocol voor hersensecties van muizen die 30-50 μm dik zijn. OPMERKING: Succes kan worden gevonden met grotere secties, maar langere tijden kunnen nodig zijn voor monomeeroplossingsdiffusie en homogenisatie.</li>
	<li>Als de secties momenteel niet worden opgeslagen in een 1x PBS-oplossing (bijvoorbeeld in een 30% [v/v] glycerol en 30% [v/v] ethyleenglycoloplossing in 1x PBS), was dan drie keer gedurende ten minste 10 minuten elke keer op kamertemperatuur in 1x PBS in een 6-tot-24-putplaat.</li>
	<li>Verkrijg een ongecoate glasmicroscopiedia. Als één kant van de glasplaat is gecoat, gebruik dan een natte kwast om te controleren op de ongecoate kant (vaak is het label van de gecoate kant gemaakt van geslepen glas en wordt het minder ondoorzichtig als het nat is).</li>
	<li>Gebruik een penseel om de ongecoate dia nat te maken. Verwijder het hersenweefsel van de muis uit de putplaat met de kwast en plaats het voorzichtig op de dia, met behulp van een rollende beweging om ervoor te zorgen dat het weefsel plat is. Laat overtollige PBS op het weefsel blijven totdat alle secties zijn gemonteerd. OPMERKING: Hoewel een enkele glasplaat voor meerdere weefselsecties kan worden gebruikt, moet er meer zorg worden besteed aan het feit dat ze niet volledig uitdrogen wanneer meer weefselsecties tegelijk worden gelled (zelfs op afzonderlijke dia's).</li>
	<li>Verwijder met een papieren laboratoriumdoek het grootste deel van de overtollige PBS van de dia. Laat een kleine vloeibare ring rond elk weefselgedeelte, maar laat de rest van de dia grotendeels droog. Deze resterende vloeistof bedekt het weefsel terwijl de gelmonomeeroplossing wordt bereid.</li>
</ol>4. Geleer
OPMERKING: Dit protocol is geschikt voor alle weefseltypen die zijn voorbereid voor gebruik met deze techniek.
<ol><li>Breng afstandhouders aan weerszijden van het weefselgedeelte aan (figuur 2A) om weefselcompressie te voorkomen. Om dit te doen, maakt u de afstandhouders door stukken afdekglas dun te snijden met een pen met diamantpunt en ze vervolgens aan de dia te bevestigen met kleine hoeveelheden water of 1x PBS, of bevestig ze met een kleine hoeveelheid secondelijm. Plaats vervolgens de afstandhouders voorzichtig aan weerszijden van het weefsel.</li>
	<li>Bereid de uiteindelijke geleeroplossing. Over het algemeen is ~ 200 μL voldoende per weefselsectie, maar het volume mag niet hoger zijn dan 800 μL per dia. Elke meer geleeroplossing zal resulteren in spillover. OPMERKING: Methacroleïne wordt gebruikt om biomoleculen in de gel te verankeren. Er is echter geen afzonderlijke verankeringsstap vereist en methacroleïne kan rechtstreeks aan de uiteindelijke geleeroplossing worden toegevoegd.<ol><li>Combineer per sectie het volgende in volgorde: 200 μL monomeeroplossing, 0,5 μL 0,5% 4HT-stamoplossing (1:400 verdunning), 0,2-0,5 μL methacroleïne (1:400-1:1.000 verdunning, afhankelijk van het weefseltype; gebruik in het algemeen een verdunning van 1:1.000 voor paraformaldehyde [PFA]-vaste monsters en 1:400 voor klinische FFPE-monsters), 2 μL 10% TEMED-stamoplossing (1:100 verdunning), en 5 μL 10% A.P.S. stockoplossing (1:40 verdunning). OPMERKING: Bereid de uiteindelijke geleeroplossing onmiddellijk voor gebruik. Om voortijdig geleer te voorkomen, voegt u de APS-oplossing als laatste toe.</li>
	</ol></li>
	<li>Verwijder de overtollige oplossing uit het weefselgedeelte en plaats de dia in een petrischaal. Voeg alle vers bereide, koude geleeroplossing toe aan het monster en incubeer het mengsel gedurende 30 minuten bij 4 °C op het weefsel om diffusie in het weefsel mogelijk te maken.</li>
	<li>Plaats een tweede ongecoate glasplaat voorzichtig over het weefsel en de geloplossing. Luchtbellen moeten worden vermeden (figuur 2B). OPMERKING: Als luchtbellen vast komen te zitten boven het weefsel, kan het glazen deksel voorzichtig worden opgetild en weer naar beneden worden geplaatst. Bovendien kan elke monomeeroplossing die uitlekt na polymerisatie worden afgesneden en geen problemen voor het weefsel veroorzaken.</li>
	<li>Zorg ervoor dat de polymerisatie is voltooid. Deze polymerisatie kan op twee manieren worden uitgevoerd, elk met vergelijkbare resultaten. Incubeer de monsters eerst bij 37 °C in een bevochtigde omgeving (zoals een gesloten petrischaaltje met een vochtige papieren handdoek) gedurende een nacht. Als alternatief, voor een snellere polymerisatie, incubeer de monsters in de bevochtigde atmosfeer gedurende 2 uur bij 37 ° C gevolgd door 1 uur bij 60 ° C.</li>
</ol>5. Monstervertering en weefselexpansie
OPMERKING: Dit protocol is geschikt voor alle weefseltypen.
<ol><li>Draag oogbescherming en schuif een scheermesje tussen de twee glazen dia's van de geleerkamer om ze te scheiden. OPMERKING: De glasplaten moeten heel gemakkelijk kunnen worden gescheiden. Als verschillende delen van de gel op beide dia's zijn geplakt, kan een penseel worden gebruikt om de gel naar de ene of de andere te leiden. Als de gel bijzonder droog is geworden tijdens polymerisatie, kan 1x PBS worden aangebracht op de buitenkant van de gelkamer, maar dompel de gel niet volledig onder, omdat dit ervoor zorgt dat deze uitzet voordat het weefsel wordt gehomogeniseerd, wat zal resulteren in scheuren.</li>
	<li>Knip de blanco gel rond het weefsel om het volume te minimaliseren. Door de gel asymmetrisch te snijden, kan de oriëntatie van de gel na homogenisatie worden gevolgd, omdat het monster volledig transparant is.</li>
	<li>Til de weefselbevattende gel voorzichtig van de dia met een scheermesje en breng deze voorzichtig over in een centrifugebuis van 2 ml met een penseel.</li>
	<li>Vul de buis tot aan de bovenkant met homogenisatiebuffer (tabel 2) voorverwarmd tot 80 °C.</li>
	<li>Incubeer het monster met schudden bij 80 °C gedurende 8 uur (voor PFA-gefixeerde muizenhersenen) of 60 uur (de meeste klinische FFPE-monsters; zie tabel 3). OPMERKING: De homogenisatietijd is afhankelijk van het weefseltype en de fixatiemethode. Veel van deze voorwaarden zijn al gevalideerd, maar voor anderen kan optimalisatie nodig zijn.</li>
	<li>Giet de inhoud van de centrifugebuis in een enkele put van een 6-well plastic celkweekplaat.</li>
	<li>Verwijder de denaturatiebuffer met een transferpipet.</li>
	<li>Om het resterende SDS volledig uit de hydrogel te verwijderen, wast u het monster als volgt in een 1% niet-ionische oppervlakteactieve stof (C12E 10)-oplossing: ten minste driemaal gedurende10 minuten telkens bij kamertemperatuur; gedurende 60 minuten bij 60 °C; en dan nog eens drie wasbeurten gedurende 10 minuten telkens op kamertemperatuur.</li>
	<li>Bewaar het monster in 1x PBS + 0,02% natriumazide bij 4 °C totdat na expansiekleuring en beeldvorming moeten worden uitgevoerd. OPMERKING: Op dit punt moet het monster ~ 3-4,5 keer groter zijn in elke dimensie, afhankelijk van het weefseltype.</li>
</ol>6. Post-expansie biomolecuul profilering
<ol><li>Antilichaamkleuring OPMERKING: Dit volgt een typisch immunofluorescentie (IF) / immunohistochemie (I.H.C.) kleuringsprotocol. De gebruikte hoeveelheden primaire en secundaire antilichamen zijn afhankelijk van de concentraties die door de fabrikant worden voorgesteld of door optimalisatie voor het specifieke experiment. Individuele buffers kunnen naar goeddunken van de gebruiker worden vervangen.<ol><li>Was het monster met het monster in een enkel putje van een celkweekplaat met 6 putten de geëxpandeerde monsters drie keer gedurende 10 minuten, telkens in 1x PBS bij R.T., waarbij de vloeistof met een pipet wordt overgebracht.</li>
		<li>Voer een optionele blokkeringsstap uit (bijvoorbeeld 3% runderserumalbumine/0,1% Triton-X100 in 1x PBS) gedurende ten minste 1 uur bij kamertemperatuur of 's nachts bij 4 °C.</li>
		<li>Incubeer met de primaire antilichamen in kleuringsbuffer (bijvoorbeeld 0,1% Triton-X100 1x PBS of 9x PBS/1% TritonX/10 mg/L heparine) 's nachts bij 37 °C. Afhankelijk van de monstergrootte moet 0,5-2 ml de gel voldoende bedekken.</li>
		<li>Was het monster drie keer gedurende ten minste 10 minuten, telkens in 1x PBS op kamertemperatuur.</li>
		<li>Incubeer in de overeenkomstige secundaire antilichamen gedurende 3 uur bij 37 °C in de kleuringsbuffer van uw keuze.</li>
		<li>Was het monster drie keer gedurende ten minste 10 minuten, telkens in 1x PBS op kamertemperatuur.</li>
	</ol></li>
	<li>NHS-ester pan-eiwitkleuring<ol><li>Giet met het monster in een plaat met 6 putten 1-2 ml polyethyleenglycol (PEG 200) op het monster (genoeg om het volledig te bedekken). OPMERKING: Het weefsel moet krimpen en terugkeren naar de oorspronkelijke pre-expansiegrootte (of er dicht bij).</li>
		<li>Kleuring met fluorofoor-geconjugeerde NHS-ester verdund tot 13,3-80 μg / ml gedurende 3 uur bij R.T. in 1-2 ml kleuringsbuffer (bijvoorbeeld 1x PBS, 2x SSC of 100 mM natriumbicarbonaatoplossing).</li>
		<li>Was het monster drie keer gedurende ten minste 10 minuten, telkens in 1x PBS op kamertemperatuur.</li>
	</ol></li>
	<li>Lipidekleuring OPMERKING: Post-expansie lipidekleuring is niet effectief op FFPE klinische monsters, omdat lipiden verloren gaan tijdens het fixatieproces.<ol><li>Was het monster drie keer gedurende ten minste 10 minuten, telkens in 1x PBS op kamertemperatuur.</li>
		<li>Breng een conventionele lipofiele kleurstof (DiO, DiI of DiD) 200-voudig verdund in 2 ml 0,1% TritonX-100 / 1x PBS aan gedurende 72-96 uur bij kamertemperatuur.</li>
		<li>Minstens drie keer wassen met 1x PBS</li>
	</ol></li>
	<li>Fluorescentie in situ hybridisatie (FISH)<ol><li>Plaats gehomogeniseerde gelmonsters in hybridisatiebuffer voorverwarmd tot 60 °C gedurende 30 minuten.</li>
		<li>Bereid de hybridisatiebuffer voor FISH voor: Combineer 2x S.S.C. (300 mM NaCl, 30 mM natriumcitraat, pH 7,0), 10% (v/v) dextransulfaat, 20% (v/v) ethyleencarbonaat en 0,1% (v/v) Tween20.</li>
		<li>Incubeer de gelmonsters met een hybridisatiebuffer met 10 pM (per oligo) FISH-sondes tegen het doelgen (ten minste 20 sondes per 10 kb) bij 45 °C gedurende de nacht.</li>
		<li>Wassen met een strenge wasbuffer (2x S.S.C. en 0,1% Tween20) twee keer gedurende 15 min telkens op 45 °C.</li>
		<li>Was met een strenge wasbuffer nog eens twee keer gedurende 10 minuten, telkens op 37 °C.</li>
		<li>Was tot slot met 1x PBS minstens drie keer gedurende 10 min telkens op kamertemperatuur.</li>
		<li>De monsters zijn klaar voor beeldvorming of opslag in 1x PBS + 0,02% natriumazide bij 4 °C.</li>
	</ol></li>
	<li>Volledige weefselexpansie en fluorescentiebeeldvorming OPMERKING: De expansiefactor die met Magnify kan worden bereikt, varieert afhankelijk van het weefseltype en de expansiemethode (een volledige samenvatting is te vinden in tabel 3). Als algemene schatting zal een Magnify-monster echter 3-4,5-voudig uitzetten in 1x PBS, 5-7-voudig in PBS verdund tot 1:50 in ddH 2 Oen 8-11-voudig in ddH2O. De optimale expansiefactor voor beeldvorming hangt af van de behoeften van elk experiment. De expansiefactor is zeer instelbaar, zodat een enkel monster vele malen kan worden uitgebreid en verkleind voor beeldvorming op verschillende schalen.<ol><li>Verplaats de monsters die 4-voudig zijn uitgebreid in PBS naar een beeldvormingsplaat met een glazen bodem met 6 putten met behulp van een penseel. Verplaats elk monster verder uitgebreid door het in kleinere stukken te snijden of voorzichtig in een grote beeldvormingsplaat met glazen bodem te plaatsen met een dun stuk flexibel plastic.</li>
		<li>Voer fluorescentiebeeldvorming uit met behulp van een conventionele breedveldmicroscoop, een confocale microscoop of een ander beeldvormingssysteem naar keuze. Het verwijderen van overtollige vloeistof rond de gel met een papieren laboratoriumdoek kan gelbeweging tijdens beeldvorming voorkomen. De gels kunnen ook worden geïmmobiliseerd door 0,1% poly-L-lysine op het glasoppervlak aan te brengen voordat ze worden afgebeeld. OPMERKING: De toepassing van poly-L-lysine maakt de gel volledig onbeweeglijk bij contact. Om deze reden moet erop worden gelet dat de gel op het glas wordt aangebracht zonder te vouwen of uit te rekken. Bovendien mag de gel niet volledig drogen op poly-L-lysine-gecoat glas, omdat dit de verwijdering moeilijk kan maken, en de gel mag niet worden gekrompen in PBS terwijl deze nog steeds aan het glas is bevestigd met poly-L-lysine, omdat dit gel- of weefselschade kan veroorzaken.</li>
		<li>Na beeldvorming krimpt u de monsters in 1x PBS met ten minste drie wasbeurten gedurende 10 minuten per keer, omdat het niet wordt aanbevolen om de monsters langdurig in ddH2O op te slaan vanwege de degradatie van het fluorescentiesignaal. In het bijzonder moeten volledig uitgebreide monsters gekleurd met lipofiele kleurstoffen zo dicht mogelijk bij het tijdstip van uitzetting worden afgebeeld om dissociatie van de kleurstof in water te voorkomen.</li>
		<li>Bewaar de monsters in 1x PBS + 0,02% natriumazide bij 4 °C.</li>
	</ol></li>
</ol>

Expansiemicroscopie voor robuuste 11-voudige expansie

<ol><li>Hell, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Far-field+optical+nanoscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Far-field optical nanoscopy.</a> Science. 316 (5828), 1153-1158 (2007).</li>
<li>Combs, C. A., Shroff, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fluorescence+microscopy%3A+A+concise+guide+to+current+imaging+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Protocols+in+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Fluorescence microscopy: A concise guide to current imaging methods.</a> Current Protocols in Neuroscience. 79, 1-25 (2017).</li>
<li>Schermelleh, L., Heintzmann, R., Leonhardt, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+guide+to+super-resolution+fluorescence+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cell+Biology%22%5BJournal%5D)">A guide to super-resolution fluorescence microscopy.</a> Journal of Cell Biology. 190 (2), 165-175 (2010).</li>
<li>Chen, F., Tillberg, P. W., Boyden, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Expansion+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Expansion microscopy.</a> Science. 347 (6221), 543-548 (2015).</li>
<li>Tillberg, P. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein-retention+expansion+microscopy+of+cells+and+tissues+labeled+using+standard+fluorescent+proteins+and+antibodies%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Protein-retention expansion microscopy of cells and tissues labeled using standard fluorescent proteins and antibodies.</a> Nature Biotechnology. 34 (9), 987-992 (2016).</li>
<li>Chozinski, T. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Expansion+microscopy+with+conventional+antibodies+and+fluorescent+proteins%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Expansion microscopy with conventional antibodies and fluorescent proteins.</a> Nature Methods. 13 (6), 485-488 (2016).</li>
<li>Ku, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiplexed+and+scalable+super-resolution+imaging+of+three-dimensional+protein+localization+in+size-adjustable+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Multiplexed and scalable super-resolution imaging of three-dimensional protein localization in size-adjustable tissues.</a> Nature Biotechnology. 34 (9), 973-981 (2016).</li>
<li>Chen, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+imaging+of+R.N.A.+with+expansion+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Nanoscale imaging of R.N.A. with expansion microscopy.</a> Nature Methods. 13 (8), 679-684 (2016).</li>
<li>Tsanov, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SmiFISH+and+FISH-quant+-+A+flexible+single+R.N.A.+detection+approach+with+super-resolution+capability%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Research%22%5BJournal%5D)">SmiFISH and FISH-quant - A flexible single R.N.A. detection approach with super-resolution capability.</a> Nucleic Acids Research. 44 (22), 165(2016).</li>
<li>Wang, G., Moffitt, J. R., Zhuang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiplexed+imaging+of+high-density+libraries+of+R.N.A.s+with+MERFISH+and+expansion+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Multiplexed imaging of high-density libraries of R.N.A.s with MERFISH and expansion microscopy.</a> Scientific Reports. 8 (1), 4847(2018).</li>
<li>Wen, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+direct+grafting+strategies+via+trivalent+anchoring+for+enabling+lipid+membrane+and+cytoskeleton+staining+in+expansion+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Evaluation of direct grafting strategies via trivalent anchoring for enabling lipid membrane and cytoskeleton staining in expansion microscopy.</a> ACS Nano. 14 (7), 7860-7867 (2020).</li>
<li>Sun, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Click-ExM+enables+expansion+microscopy+for+all+biomolecules%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Click-ExM enables expansion microscopy for all biomolecules.</a> Nature Methods. 18, 107-113 (2021).</li>
<li>White, B. M., Kumar, P., Conwell, A. N., Wu, K., Baskin, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lipid+expansion+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Lipid expansion microscopy.</a> Journal of the American Chemical Society. 144 (40), 18212-18217 (2022).</li>
<li>Truckenbrodt, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X10+expansion+microscopy+enables+25-nm+resolution+on+conventional+microscopes%5BTitle%5D)+AND+%22EMBO+Reports%22%5BJournal%5D)">X10 expansion microscopy enables 25-nm resolution on conventional microscopes.</a> EMBO Reports. 19 (9), e45836(2018).</li>
<li>Chang, J. -B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Iterative+expansion+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">Iterative expansion microscopy.</a> Nature Methods. 14 (6), 593-599 (2017).</li>
<li>Park, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epitope-preserving+magnified+analysis+of+proteome+%28eMAP%29%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Advances%22%5BJournal%5D)">Epitope-preserving magnified analysis of proteome (eMAP).</a> Science Advances. 7 (46), (2021).</li>
<li>Klimas, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnify+is+a+universal+molecular+anchoring+strategy+for+expansion+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Magnify is a universal molecular anchoring strategy for expansion microscopy.</a> Nature Biotechnology. , (2023).</li>
<li>Gao, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Expansion+stimulated+emission+depletion+microscopy+%28ExSTED%29%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Expansion stimulated emission depletion microscopy (ExSTED).</a> ACS Nano. 12 (5), 4178-4185 (2018).</li>
<li>Zwettler, F. U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+resolution+imaging+by+post-labeling+expansion+single-molecule+localization+microscopy+%28Ex-SMLM%29%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Molecular resolution imaging by post-labeling expansion single-molecule localization microscopy (Ex-SMLM).</a> Nature Communications. 11, 3388(2020).</li>
</ol>

De auteurs verklaren de volgende concurrerende financiële belangen te hebben: Y.Z., A.K., Z.C., en B.R.G. hebben verschillende uitvindingen uitgevonden met betrekking tot Magnify en ExM.

Hier presenteren we het Magnify-protocol17, een ExM-variant die meerdere biomoleculen kan vasthouden met een enkel chemisch anker en uitdagende FFPE-klinische monsters tot 11-voudig kan uitbreiden met warmtedenaturatie. De belangrijkste veranderingen in dit protocol die het onderscheiden van andere ExM-protocollen zijn het gebruik van een geherformuleerde gel die mechanisch robuust blijft, zelfs wanneer het volledig is uitgebreid, evenals het gebruik van methacroleïne als het biomolecuulanker. De ...

Biologische systemen vertonen structurele heterogeniteit, van de ledematen en de organen tot de niveaus van eiwitten op nanoschaal. Daarom vereist een volledig begrip van de werking van deze systemen visueel onderzoek op deze grootteschalen. De diffractielimiet van licht veroorzaakt echter uitdagingen bij het visualiseren van structuren kleiner dan ~ 200-300 nm op een conventionele fluorescentiemicroscoop. Bovendien vormen optische superresolutiemethoden 1,2,3, zoals gestimuleerde emissiedepletie (STED), foto-geactiveerde lokalisatiemicroscopie (PALM), stochastische optische reconstructiemicroscopie (STORM) en gestructureerde verlichtingsmicroscopie (SIM), hoewel krachtig, hun eigen uitdagingen, omdat ze dure hardware en reagentia vereisen en vaak trage acquisitietijden hebben en een slecht vermogen om grote volumes in 3D in beeld te brengen.
Expansiemicroscopie4 (ExM) biedt een alternatieve manier om de diffractielimiet van licht te omzeilen door biomoleculen covalent te verankeren in een wateropzwellende polymeergel en ze fysiek uit elkaar te trekken, waardoor ze oplosbaar worden op conventionele optische microscopen. Een groot aantal ExM-protocolvarianten zijn ontwikkeld sinds de oorspronkelijke publicatie van ExM minder dan tien jaar geleden, en deze protocollen maken de directe opname van eiwitten 5,6,7, RNA 8,9,10 of lipiden11,12,13 mogelijk in het gelnetwerk door het chemische anker te veranderen of het monster verder uit te breiden (waardoor de effectieve resolutie wordt verbeterd), hetzij in een enkele stap14 of meerdere iteratieve stappen15,16. Tot voor kort kon geen enkel ExM-protocol deze drie biomolecuulklassen behouden met een enkel commercieel verkrijgbaar chemisch anker, terwijl het een mechanisch stevige gel leverde die ~ 10-voudig kon uitzetten in een enkele uitbreidingsronde.
Hier presenteren we Magnify17, een recente toevoeging aan het ExM-arsenaal dat methacroleïne gebruikt als het biomolecuulanker. Methacroleïne vormt covalente bindingen met weefsel zoals dat van paraformaldehyde, waardoor meerdere klassen biomoleculen in het gelnetwerk kunnen worden gehouden zonder dat verschillende specifieke of aangepaste verankeringsmiddelen nodig zijn. Bovendien kan deze techniek een breed spectrum van weefsels tot 11-voudig uitbreiden, inclusief notoir uitdagende monsters zoals formaline-gefixeerde paraffine-ingebedde (FFPE) klinische monsters. Eerdere methoden voor het uitbreiden van dergelijke mechanisch stijve monsters vereisten een harde proteasevertering, waardoor de antilichaametikettering van eiwitten van belang onmogelijk werd nadat het monster was uitgebreid. Deze techniek daarentegen bereikt de uitbreiding van FFPE klinische monsters met behulp van een hete denatureringsoplossing, waardoor hele eiwit-epitopen in de gel behouden blijven, die kunnen worden gericht op beeldvorming na uitbreiding (figuur 1).

<table><tbody><tr><td>4-hydroxy-TEMPO (4HT)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>176141</td><td>Remmer</td></tr><tr><td>6-well glass-bottom plate (#1.5 coverglass)</td><td>Cellvis</td><td>P06-1.5H-N</td><td></td></tr><tr><td>Acryamide</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A8887</td><td>Gel Monomer component</td></tr><tr><td>Ammonium persulfate (APS)&nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A3678</td><td>Initiatior</td></tr><tr><td>DAPI (1 mg/mL)</td><td>Thermo Scientific</td><td>62248</td><td></td></tr><tr><td>Decaethylene glycol mono dodecyl ether (C12E10)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P9769</td><td>Niet-ionogene oppervlakteactieve stof</td></tr><tr><td>Diamond knife No. 88 CM</td><td>General Tools</td><td>31116</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>Pharmco</td><td>111000200</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>Pharmco</td><td>111000200</td><td></td></tr><tr><td>Ethylenediaminetetraacetic zuur (EDTA) 0.5 M</td><td>VWR</td><td>BDH7830-1</td><td>Homogenisatiebuffercomponent</td></tr><tr><td>Forceps</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Glycine</td><td>Sigma Aldrich</td><td>G8898</td><td>Homogenisatiebuffercomponent</td></tr><tr><td>Heparine</td><td>Sigma Aldrich</td><td>H3393</td><td></td></tr><tr><td>Methacrolein</td><td>Sigma Aldrich</td><td>133035</td><td>Ankermiddel</td></tr><tr><td>Micro cover Glass #1 (24x60mm)</td><td>VWR</td><td>48393 106</td><td></td></tr><tr><td>Micro cover Glass #1.5 (24x60mm)</td><td>VWR</td><td>48393 251</td><td></td></tr><tr><td>N,N,N&prime;,N&prime;- Tetramethylethyleendiamine (TEMED)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T9281</td><td>Versneller</td></tr><tr><td>N,N&prime;-Methylenebisacrylamide (Bis)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>M7279</td><td>Gel Monomer component</td></tr><tr><td>N,N-dimethylacrylamide (DMAA)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>274135</td><td>Gel Monomer component</td></tr><tr><td>Nunclon 4-Well x 5 mL MultiDish Cell Cultuurschaal</td><td>Thermo Fisher</td><td>167063</td><td></td></tr><tr><td>Nunclon 6-Well Cell Cultuurschaal</td><td>Thermo Fisher</td><td>140675</td><td></td></tr><tr><td>Nunc&trade; 15mL&nbsp;Conical</td><td>Thermo Fisher</td><td>339651</td><td></td></tr><tr><td>Nunc&trade; 50mL&nbsp;Conical</td><td>Thermo Fisher</td><td>339653</td><td></td></tr><tr><td>Orbitale shaker</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Verfkwast</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>pH Meter</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS), 10x oplossing</td><td>Fischer Scientific</td><td>BP399-1</td><td></td></tr><tr><td>Polyethyleenglycol&nbsp; 200</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P-3015</td><td></td></tr><tr><td>Proteinase K (moleculaire biologie kwaliteit)</td><td>Thermo Scientific</td><td>EO0491</td><td></td></tr><tr><td>Veilige schaal</td><td>Fischer Scientifc</td><td>12640</td><td></td></tr><tr><td>Safelock Microcentrifugebuizen 1,5 mL</td><td>Thermo Fisher</td><td>3457</td><td></td></tr><tr><td>Safelock Microcentrifugebuizen 2,0 mL</td><td>Thermo Fisher</td><td>3459</td><td></td></tr><tr><td>Natriumacrylaat (SA)</td><td>AK Scientific</td><td>R624</td><td>Gel Monomer component</td></tr><tr><td>Natriumazid</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S2002</td><td></td></tr><tr><td>Natriumchloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S6191</td><td></td></tr><tr><td>Natriumcitraat tribasis dihydraat</td><td>Sigma Aldrich</td><td>C8532-1KG</td><td></td></tr><tr><td>Natriumdodecylsulfaat (SDS)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>L3771</td><td>Homogenisatiebuffercomponent</td></tr><tr><td>Tris Base</td><td>Fischer Scientific</td><td>BP152-1</td><td>Homogenisatiebuffercomponent</td></tr><tr><td>Triton X-100</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T8787</td><td></td></tr><tr><td>Urea</td><td>Sigma Aldrich</td><td>U5378</td><td>Homogenisatiebuffercomponent</td></tr><tr><td>Xyleen</td><td>Sigma Aldrich</td><td>214736</td><td></td></tr><tr><td>20x SSC</td><td>Thermo Scientific</td><td>AM9763</td><td></td></tr><tr><td>Tween20</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P1379</td><td></td></tr><tr><td>poly-L-lysine&nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P8920</td><td></td></tr></tbody></table>

universele moleculaire retentie met 11-voudige expansiemicroscopie

Universal Molecular Retention with 11-Fold Expansion Microscopy

De beeldvorming op nanoschaal van biologische specimens kan het begrip van ziektepathogenese verbeteren. In de afgelopen jaren is aangetoond dat expansiemicroscopie (ExM) een effectief en goedkoop alternatief is voor optische superresolutiemicroscopie. Het is echter beperkt door de behoefte aan specifieke en vaak aangepaste verankeringsmiddelen om verschillende biomolecuulklassen in de gel te behouden en door problemen met het uitbreiden van standaard klinische monsterformaten, zoals formaline-gefixeerd paraffine-ingebed weefsel, vooral als grotere expansiefactoren of geconserveerde eiwit-epitopen gewenst zijn. Hier beschrijven we Magnify, een nieuwe ExM-methode voor robuuste expansie tot 11-voudig in een breed scala aan weefseltypen. Door methacroleïne te gebruiken als het chemische anker tussen het weefsel en de gel, behoudt Magnify meerdere biomoleculen, zoals eiwitten, lipiden en nucleïnezuren, in de gel, waardoor de brede beeldvorming op nanoschaal van weefsels op conventionele optische microscopen mogelijk wordt. Dit protocol beschrijft best practices om robuuste en scheurvrije weefselexpansie te garanderen, evenals tips voor het hanteren en afbeelden van sterk uitgebreide gels.

Als het protocol met succes is voltooid (figuur 1), ziet het monster er na warmtedenaturering helder en vlak uit; Elke vouwing of rimpeling duidt op onvolledige homogenisatie. Een succesvol uitgebreid monster zal 3-4,5-voudig groter zijn dan vóór expansie in 1x PBS en 8-11-voudig groter wanneer volledig uitgebreid in ddH2O. Figuur 3 toont voorbeeldbeelden voor en na de expansie van 5 μm dik FFPE menselijk niermonster verwerkt met behulp van dit protoc...

Hier wordt een nieuwe versie van expansiemicroscopie (ExM) gepresenteerd, Magnify, die is aangepast voor maximaal 11-voudige expansie, met behoud van een uitgebreide reeks biomolecuulklassen en compatibel is met een breed scala aan weefseltypen. Het maakt de ondervraging van de nanoschaalconfiguratie van biomoleculen mogelijk met behulp van conventionele diffractie-beperkte microscopen.

Universele moleculaire retentie met 11-voudige expansiemicroscopie

The nanoscale imaging of biological specimens can improve the understanding of disease pathogenesis. In recent years, expansion microscopy (ExM) has been ...

We proberen eenvoudige en goedkope manieren te vinden voor onderzoekers om hun biologische monsters in beeld te brengen met resoluties onder de diffractielimiet, met name op het gebied van neurowetenschappen en klinische pathologie. Veel recente ontwikkelingen op het gebied van expansiemicroscopie omvatten het aanpassen van gelchemie om monsters verder uit te breiden, het verankeringsmolecuul te veranderen om verschillende doelen te visualiseren en verwarmingsverandering te gebruiken om eiwit-epitopen te behouden. Met innovatieve mönify, een robuuste expansiemicroscopiemethode die beeldvorming op nanoschaal van verschillende biologische of klinische monsters mogelijk maakt.Het vereenvoudigt superresolutiemicroscopie door gespecialiseerde apparatuurbehoeften te elimineren met behoud van ingewikkelde biologische kenmerken met een resolutie tot 15 nanometer, waardoor de toegankelijkheid en bruikbaarheid in laboratoria over de hele wereld toenemen. Voorheen moesten gebruikers experimenteren met verschillende expansiemicroscopietechnieken, afhankelijk van het weefsel en de biomoleculen die ze in beeld wilden brengen. Magnify maakt beeldvorming met hoge resolutie mogelijk over verschillende biomoleculen en weefseltypen zonder dat specifieke verankeringsstappen of gespecialiseerde apparatuur nodig zijn, waardoor een aanzienlijke kloof in beeldvorming op nanoschaal wordt overbrugd.Magnify breidt hardere klinische monsters viervoudig uit met behoud van eiwit-epitopen, waardoor nauwkeuriger onderzoek naar wachtrijziekten mogelijk is. Het chemische anker behoudt ook een breed scala aan biomoleculen, waardoor het nuttig is voor fundamenteel onderzoek in diermodellen Magnify vereenvoudigt beeldvorming op nanoschaal van biomoleculen en intacte monsters zonder complexe optica of gespecialiseerde apparatuur. Het is aanpasbaar aan verschillende beeldvormingsmodaliteiten en uitbreidingsmicroscopiestrategieën, waardoor toegankelijke, kosteneffectieve beeldvorming op nanoschaal mogelijk is die medicamenteuze behandelingen en ziektestudies kan versnellen en tegelijkertijd de weefselatlasgeneratie mogelijk kan transformeren.Magnify biedt eindeloze mogelijkheden voor onderzoek. Huidige aandachtsgebieden omvatten het uitbreiden van de weefselplaats, het onderzoeken van pathologische menselijke monsters op nanoschaal en het bestuderen van de kleinste schaalveranderingen op de hersenen tijdens leren en ziekte.

universal-molecular-retention-with-11-fold-expansion-microscopy

Research

JoVE Journal

Biology

Biologie

Nanoschaal beeldvorming van klinische weefselmonsters kan het begrip van ziekte pathogenese verbeteren. Expansie pathologie (ExPath) is een versie van expansie microscopie (ExM), aangepast voor compatibiliteit met standaard klinische weefselmonsters, om de nanoschaal configuratie van biomoleules te verkennen met conventionele diffractie beperkte microscopen.

Nanoscopische beeldvorming van menselijke weefsel secties via fysische en isotrope expansie

De gepresenteerde methode maakt visualisatie van fluorescerend gelabelde cellulaire eiwitten met expansiemicroscopie mogelijk, wat leidt tot een resolutie van 70 nm op een conventionele microscoop.

Beeldvorming van Podocytische eiwitten Nephrin, Actine en Podocine met expansiemicroscopie

Een protocol van labelretentie expansie microscopie (LR-ExM) wordt gedemonstreerd. LR-ExM maakt gebruik van een nieuwe set trifunctionele ankers, die een betere etiketteringsefficiëntie biedt in vergelijking met eerder geïntroduceerde uitbreidingsmicroscopieën.

Label-Retention Expansion Microscopy (LR-ExM) maakt beeldvorming met superresolutie en zeer efficiënte etikettering mogelijk

Hier wordt een protocol gepresenteerd voor de implementatie van expansiemicroscopie in vroege Drosophila-embryo's om beeldvorming met superresolutie te bereiken met behulp van een conventionele confocale microscoop met laserscanning.

Expansiemicroscopie gebruiken om Drosophila-embryo's in het geheel fysiek te vergroten voor beeldvorming met superresolutie

Deze studie toont een gedetailleerd protocol voor het uitvoeren van ultrastructuurexpansiemicroscopie in drie in vitro levenscyclusstadia van Trypanosoma cruzi, de ziekteverwekker die verantwoordelijk is voor de ziekte van Chagas. We nemen de geoptimaliseerde techniek voor cytoskeletale eiwitten en pan-proteoomlabeling op.

Ultrastructurele expansiemicroscopie in drie in vitro levenscyclusstadia van Trypanosoma cruzi

Hier stellen we een eenvoudig protocol voor dat metabole oligosacharide-engineering, klikchemie en expansiemicroscopie combineert en dat bioimaging van intracellulaire gesialyleerde N-glycoproteïnen met verbeterde resolutie mogelijk maakt met behulp van routinematige microscopieapparatuur.

Visualisatie van intracellulaire sialylering met klikchemie en expansiemicroscopie

Hier presenteren we een gedetailleerd protocol dat cryofixatie- en expansiemicroscopiemethoden (Cryo-ExM) combineert, waardoor hogeresolutiebeeldvorming met structureel behoud mogelijk is, aangepast aan diverse biologische monsters. Biologische monsters worden ingevroren, ingebed in een zwellbaar polymeer, gedenatureerd, uitgezet en immuno-labeld, waardoor superresolutiebeeldvorming met standaard lichtmicroscopen mogelijk is.

Expansiemicroscopie: Fluorescentiebeeldvorming met hoge resolutie met een conventionele microscoop

In deze video laten we zien hoe te labelen en te visualiseren enkele synaptische blaasjes exocytose en handel in goudvissen het netvlies bipolaire cellen met behulp van totale interne reflectie fluorescentie (TIRF) microscopie.

Imaging exocytose in het netvlies bipolaire cellen met TIRF Microscopie

Hier laten we zien de protocollen voor het uitvoeren van single-molecule fluorescentie microscopie op levende bacteriële cellen in staat te stellen functionele moleculaire complexen worden opgespoord, gevolgd en gekwantificeerd.

Visualiseren Single moleculaire complexen In Vivo Geavanceerde fluorescentiemicroscopie

Dit protocol laat een eenvoudige single-molecule fluorescentie microscopie technieken voor het visualiseren van DNA-replicatie door individuele replisomes in real time.

Visualiseren van Single-molecule DNA-replicatie met fluorescentiemicroscopie

Ontdek Magnify, een geavanceerde expansiemicroscopie-methode die biologische monsters tot 11-voudig kan uitbreiden met behoud van diverse biomoleculen. Deze techniek maakt nanoschaalbeeldvorming mogelijk met standaard microscopen.

Universele moleculaire retentie met 11-voudige expansiemicroscopie

Meer video's verkennen