Prezentujemy metodę mikroskopii w ciemnym polu opartą na filtrowaniu typu Gabora do pomiaru dynamiki subkomórkowej w pojedynczych żywych komórkach. Technika ta jest czuła na zmiany w strukturze organelli, takie jak fragmentacja mitochondriów.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Prezentujemy metodę mikroskopii w ciemnym polu opartą na filtrowaniu typu Gabora do pomiaru dynamiki subkomórkowej w pojedynczych żywych komórkach. Technika ta jest czuła na zmiany w strukturze organelli, takie jak fragmentacja mitochondriów.
Prezentujemy instrument mikroskopowy, który pozwala na pomiar tekstury subkomórkowej wynikającej z morfologii i organizacji organelli w niebarwionych żywych komórkach. Proponowane urządzenie zwiększa czułość bezznakowej mikroskopii optycznej na nanoskalowe zmiany wielkości i kształtu organelli i może być wykorzystane do przyspieszenia badań nad związkiem między strukturą a funkcją w odniesieniu do dynamiki organelli leżącej u podstaw fundamentalnych procesów biologicznych, takich jak programowana śmierć komórki czy różnicowanie komórkowe. Mikroskop ten można łatwo zaimplementować na istniejących platformach mikroskopowych, dzięki czemu może on zostać udostępniony poszczególnym laboratoriom, w których naukowcy będą mogli wdrażać i stosować proponowane metody przy nieograniczonym dostępie.
Proponowana technika umożliwia charakteryzację struktur wewnątrzkomórkowych poprzez obserwację komórki za pomocą dwuwymiarowych optycznych filtrów Gabora. Filtry te mogą być dostrojone tak, aby z czułością nanometryczną (rzędu 10 nm) wykrywać specyficzne cechy morfologiczne związane z rozmiarem i orientacją niesferycznych organelli wewnątrzkomórkowych. Choć metoda ta opiera się na kontraście generowanym przez rozpraszanie sprężyste, nie wymaga ona szczegółowego modelu odwrotnego rozpraszania ani teorii Mie do wyznaczenia pomiarów morfometrycznych. Technika ta znajduje więc zastosowanie w przypadku organelli niesferycznych, dla których trudno jest podać precyzyjny teoretyczny opis rozpraszania, i dostarcza charakterystycznych parametrów morfometrycznych, które można uzyskać w niebarwionych żywych komórkach w celu oceny ich funkcji. Przewagą tej metody nad cyfrowym przetwarzaniem obrazu jest to, że operuje ona bezpośrednio na transformacie pola obiektu, a nie na dyskretyzowanej intensywności obiektu. Nie wymaga ona wysokiej częstotliwości próbkowania obrazu, co pozwala na szybki screening aktywności morfologicznej w setkach komórek jednocześnie, znacznie ułatwiając badanie struktury organelli poza zakresem pojedynczej segmentacji i rekonstrukcji organelli za pomocą konfokalnej mikroskopii fluorescencyjnej obrazów cyfrowych o dużym powiększeniu i ograniczonym polu widzenia.
W niniejszej prezentacji przedstawiamy dane pochodzące z morskiej okrzemki, aby zilustrować zastosowaną metodologię. Prezentujemy również wstępne dane zebrane z żywych komórek, aby ukazać sposób zastosowania tej metody w odpowiednim kontekście biologicznym.
1. Przygotowanie komórek
2. Przygotowanie układu optycznego
3. Załadunek banku filtrów i wykorzystanie układu do pozyskiwania obrazów tła z filtrowaniem
4. Wysiewanie komórek
5. Przeprowadzenie eksperymentu
6. Wymiana pożywki w celu poddania komórek działaniu staurosporyny (STS) oraz utrzymanie pożywki przez cały czas trwania eksperymentu
7. Reprezentatywne wyniki
Po zakończeniu eksperymentu zebrane dane będą obejmować dużą liczbę przefiltrowanych obrazów, które muszą zostać przetworzone w celu wyodrębnienia danych o strukturze subkomórkowej. Przedstawiono dwa przykłady dla banku filtrów optycznych składającego się z 9 filtrów typu Gabor o okresie filtra S=0.95μm, odchyleniu standardowym obwiedni Gaussa s=S/2=0.45μm oraz orientacjach od Φ=0° do Φ=160° w odstępach 20°. (Więcej szczegółów znajduje się w [1]).
Przykład 1: Okrzemka morska
W pierwszej kolejności zastosowaliśmy nasz bank filtrów wrażliwych na orientację do próbki okrzemki morskiej (Carolina Biological Supply Company) z orientowanymi cechami, które były wyraźnie widoczne w obrazowaniu w ciemnym polu (DF) (Rys. 1). Obrazy przefiltrowane optycznie przedstawiono obok nieprzefiltrowanego obrazu próbki w celu porównania.

Rysunek 1: Obraz okrzemek morskich w ciemnym polu (DF) oraz obraz z filtrowaniem optycznym. Przeanalizujemy okrzemkę znajdującą się w prawym dolnym rogu obrazu (biała strzałka na najbardziej lewym panelu).
Zestaw dziewięciu obrazów okrzemki przefiltrowanych filtrami Gabora został przetworzony piksel po pikselu pod kątem orientacji i zaokrąglenia obiektów. Przetwarzanie składało się z (1) sumowania zmierzonych odpowiedzi wszystkich dziewięciu obrazów przefiltrowanych filtrami Gabora w każdym pikselu w celu określenia całkowitej amplitudy odpowiedzi sygnału, co pozwoliło zakodować istotność odpowiedzi, oraz (2) znalezienia orientacji filtra Gabora, Φ, przy której odpowiedź jest maksymalna i obliczenia stosunku tej maksymalnej odpowiedzi do średniej odpowiedzi dla wszystkich kątów, co pozwoliło zakodować stopień, w jakim obiekty w każdym pikselu mają preferowaną orientację. Stopień orientacji jest ściśle powiązany z geometrycznym współczynnikiem kształtu cząstki. Na rys. 2B całkowita odpowiedź piksela na bank filtrów (parametr 1) oraz stopień orientacji lub współczynnik kształtu (parametr 2) są zakodowane odpowiednio w nasyceniu i odcieniu kolorów. Współczynnik kształtu bliski 1 (kolor niebieski) występuje w obszarach, w których nie ma preferowanego kąta odpowiedzi, natomiast wyższe wartości (kolor czerwony) wskazują obszary, w których występuje wyższa odpowiedź dla kąta preferowanego. Orientacja cząstek podstruktur została zakodowana na wykresie wektorowym (rys. 2C), gdzie każda linia ściśle zgadzała się z podstawową lokalną orientacją obiektu widoczną w nieprzefiltrowanym obrazie w ciemnym polu (rys. 2A).

Rycina 2: A: Obraz okrzemka w ciemnym polu. B: Obraz orientacji obiektów. Skala kolorów wskazuje stopień orientacji (stosunek boków), natomiast jasność koduje istotność całkowitej odpowiedzi filtra Gabora. C: Orientacja obiektów z intensywnością odpowiedzi ≥10% wartości maksymalnej. Odcinek linii wskazuje oś długą odpowiadającej struktury.
Przykład 2: Komórki apoptotyczne
Tutaj przedstawiamy przefiltrowane obrazy wołowych komórek śródbłonka traktowanych staurosporyną (STS), które zostały przetworzone w ten sam sposób co okrzemki. Rys. 3 przedstawia niefiltrowany obraz komórek w ciemnym polu (DF) wraz z dziewięcioma obrazami przefiltrowanymi w czasie T=-180 min przed traktowaniem STS.

Rycina 3: Obrazy w ciemnym polu (DF) oraz obrazy filtrowane optycznie pola zawierającego kilka żywych komórek śródbłonka.
Obrazy po filtracji pozyskiwano następnie co 20 minut przez okres trzech godzin po traktowaniu STS. Rys. 4a przedstawia mapę współczynnika kształtu komórek w funkcji czasu. W tym przypadku odcień koloru reprezentuje stopień orientacji (oznaczony jako orientedness), podobnie jak w przypadku odcieni kolorów na Rys. 2b powyżej. Jednak jasność współczynnika kształtu nie była ważona średnią odpowiedzią filtra. Poprzez nałożenie naszych map współczynnika kształtu na obrazy fluorescencyjne oznakowanych mitochondriów w tych komórkach (Rys. 4b), ustalono, że zmierzony spadek współczynnika kształtu był ograniczony do obszarów komórkowych zawierających mitochondria i towarzyszył fragmentacji mitochondriów, którą można było zaobserwować bezpośrednio na obrazach fluorescencyjnych tych samych komórek. Rys. 5 przedstawia wykresy czasowe obrazujące zmianę współczynnika kształtu w funkcji czasu w komórkach przechodzących apoptozę. W każdej komórce w przedziale T=60-100 min następuje spadek współczynnika kształtu w regionach pokrywających się z fluorescencyjnymi mitochondriami, ale nie w regionach pokrywających się z obszarami słabej fluorescencji tła.

Rycina 4: Obrazy stosunku szerokości do długości (a) oraz fluorescencji (b) komórek śródbłonka traktowanych induktorem apoptozy, staurosporyną.

Rycina 5: Wykresy czasowe porównujące spadek współczynnika kształtu cząstek (stopnia orientacji) w komórkach śródbłonka traktowanych staurosporyną. Pojedyncze ślady reprezentują przebiegi czasowe w pojedynczych komórkach. Spadek stopnia orientacji jest ograniczony do obszarów komórek zarejestrowanych jako fluorescencyjne mitochondria (panel lewy) i nie występuje w pozostałych obszarach fluorescencji tła (panel prawy).
Skoro ustaliliśmy, że spadek współczynnika kształtu odpowiada fragmentacji mitochondriów, możemy teraz indukować apoptozę w tych komórkach, mierzyć fragmentację za pomocą naszej metody rozproszenia optycznego bez konieczności znakowania komórek oraz badać wpływ różnych warunków genetycznych i eksperymentalnych na tę dynamikę.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opisana powyżej metoda pozwala na uzyskanie map morfometrycznych obiektu, które mogą kodować na przykład wielkość lub orientację cząstek. Te informacje strukturalne można wykorzystać na kilka sposobów:
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Niektóre aspekty opisanych metod zostały zawarte w zgłoszeniu wynalazku, Rutgers University Docket # 09-049.
Urządzenie z mikrolustrami wykorzystane w niniejszych badaniach zostało sfinansowane z grantu Whitaker Foundation RG-02-0682 przyznanego N. Boustany. Bieżące prace są finansowane z grantu NSF- DBI-0852857 przyznanego N. Boustany. R.M. Pasternack otrzymał częściowe wsparcie w ramach Rutgers Presidential Graduate Fellowship. Pragniemy również podziękować dr E. White za udostępnienie komórek iBMK wykorzystanych w naszych badaniach oraz dr D.N. Metaxas za pomocne dyskusje dotyczące strategii filtrowania optycznego.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| DMEM | Invitrogen | DMEM z niską zawartością glukozy | |
| Pożywka Liebowitz L15 | Invitrogen | Bez czerwieni fenolowej | |
| L-glutamina | Invitrogen | ||
| Mitotracker Green | Invitrogen | ||
| Ekstrakt z mózgu bydlęcego | Clonetics | ||
| Płodowa surowica bydlęca | Gemini Bio Products | ||
| Heparyna | Sigma-Aldrich | ||
| Staurosporyna | Sigma-Aldrich | ||
| Dimetylosulfotlenek | Sigma-Aldrich | ||
| Mikroskop odwrócony | Carl Zeiss, Inc. | Axiovert 200M | |
| DMD | Texas Instruments | TI 0.7 XGA DMD 1100 | |
| CCD | Roper Scientific | Cascase 512B | CCD o wysokim zakresie dynamicznym (16 bit) |
| CCD | Roper Scientific | Coolsnap cf |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.