Ten protokół opisuje konfigurację mikroskopu z arkuszem świetlnym i jego implementację do obrazowania in vivo zarodków C. elegans.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Ten protokół opisuje konfigurację mikroskopu z arkuszem świetlnym i jego implementację do obrazowania in vivo zarodków C. elegans.
Szybkie i nisko stosowane techniki obrazowania fototoksycznego są niezbędne do badania rozwoju organizmów in toto. Mikroskopia oparta na arkuszach świetlnych zmniejsza efekty fotowybielania i fototoksyczności w porównaniu z mikroskopią konfokalną, zapewniając jednocześnie obrazy 3D o rozdzielczości subkomórkowej. Tutaj przedstawiamy konfigurację mikroskopu opartego na arkuszu świetlnym, który składa się z mikroskopu pionowego i niewielkiego zestawu elementów optomechanicznych do generowania arkusza świetlnego. Protokół opisuje, jak zbudować, ustawić mikroskop i scharakteryzować arkusz świetlny. Ponadto szczegółowo opisano, w jaki sposób można wdrożyć metodę obrazowania in toto zarodków C. elegans przy użyciu prostej komory obserwacyjnej. Metoda ta pozwala na uchwycenie dwukolorowych filmów poklatkowych 3D w ciągu kilku godzin wywoływania. Powinno to ułatwić śledzenie kształtu komórki, podziałów komórkowych i znakowanych białek w długich okresach czasu.
Formowanie i kształtowanie organizmu obejmuje ruchy komórek, zmiany kształtu komórki, podział komórek i różnicowanie komórek. Zrozumienie postępu i koordynacji tych procesów wymaga szybkich narzędzi do obrazowania z możliwością trójwymiarowości i rozdzielczością subkomórkową. Wśród technik wykorzystujących te możliwości obrazowania in vivo, mikroskopia oświetlenia arkuszami świetlnymi, zwana również mikroskopią oświetlenia pojedynczego/selektywnego płaszczyzny, ma wyjątkową zaletę polegającą na wytwarzaniu efektów o niskiej toksyczności i niskim poziomie fotowybielania1,2.
W mikroskopii z oświetleniem arkuszy, próbka jest oświetlana z boku przez arkusz świetlny, który wykonuje sekcję optyczną. Ścieżka oświetlenia i ścieżka wykrywania są prostopadłe do siebie, a arkusz świetlny jest wyrównany tak, aby pokrywał się z płaszczyzną ogniskową obiektu soczewki obiektywu detekcji. Próbka jest umieszczana na przecięciu dwóch ścieżek i może być przesuwana wzdłuż osi detekcji, aby umożliwić obrazowanie 3D. Oświetlona jest tylko płaszczyzna zainteresowania i wszystkie punkty tej płaszczyzny są wykrywane w tym samym czasie. To znacznie zwiększa szybkość akwizycji i zmniejsza fotowybielanie, a także fototoksyczność w porównaniu z mikroskopią konfokalną3.
Praktycznie, mikroskopia z oświetleniem arkuszy jest łatwa do ustawienia i wyrównania: dla obrazowania dwuwymiarowego nie jest konieczne skanowanie ani dla części detekcyjnej, ani dla części oświetleniowej; jako technika szerokokątna z możliwością cięcia, trójwymiarowe obrazowanie można uzyskać poprzez pojedynczy ruch osi stolika trzymającego próbkę.
Tutaj prezentujemy ustawienie prostego mikroskopu z arkuszem świetlnym i jego implementację do obrazowania in toto zarodków C. elegans. Zarodki C. elegans są dobrze przystosowane do obrazowania in vivo ze względu na ich przezroczystość, niezmienniczą linię genealogiczną i stereotypowe pozycje komórek4,5. Opracowany układ arkuszy świetlnych opiera się na standardowym mikroskopie pionowym do detekcji. Przedstawiony poniżej protokół szczegółowo opisuje, jak zbudować i wyrównać moduł/ścieżkę wzbudzenia, przetestować i scharakteryzować arkusz świetlny oraz zamontować próbkę do obrazowania 3D. Zawiera również przykłady filmów poklatkowych uzyskanych za pomocą konfiguracji na różnych szczepach wyrażających markery fluorescencyjne.
1. Konfiguracja arkusza świetlnego i ścieżki wykrywania
Rysunek 1 przedstawia ogólny schemat układu optycznego.
2. Sprawdzanie arkusza świetlnego
3. Montaż zarodków C. elegans
Następujące kroki są pokazane na rysunku 3.
4. Rejestracja rozwoju C. elegans
Trzy eksperymenty z rejestracją time-lapse w 3D z trzech różnych szczepów C. elegans ilustrują rodzaj danych, jakie można uzyskać przy użyciu opisanego powyżej zestawu mikroskopu z arkuszem światła. Sprawdziliśmy, że w tych warunkach zarodki rozwijają się z normalną prędkością i przeżywają obrazowanie, co jest zgodne z wcześniejszymi doniesieniami wskazującymi, że obrazowanie SPIM powoduje jedynie niski poziom fototoksyczności w zarodkach C. elegans6,7.
Pierwszy szczep wykazuje ekspresję histonu połączonego z GFP (zuIs178;stIs10024). Rejestracja była prowadzona przez 2 godziny z wykorzystaniem stosu 20 przekrojów (odległość między przekrojami 1 μm) wykonywanych co 37 sec. Rysunek 6 przedstawia jedną płaszczyznę stosu w różnych punktach czasowych. Wyraźnie widoczne są zarówno jądra w fazie interfazy (strzałka), jak i skondensowana chromatyna mitotyczna (grot strzałki).
Drugi szczep wykazuje ekspresję tubuliny połączonej z GFP (ruIs57) oraz histony połączonej z mCherry (itIs37; stIs10226). Rejestracja była prowadzona przez 16 min przy użyciu stosu 20 warstw (odległość między warstwami 1 μm) pobieranych co 105 sec. Rysunek 7 przedstawia różne płaszczyzny stosu oraz różne punkty czasowe. Powiązany film 1 ukazuje rekonstrukcje 3D w 3 kolejnych punktach czasowych. Podczas podziału wrzeciono mitotyczne (zielone) i skondensowane chromosomy (czerwone) są wyraźnie widoczne, co pozwala na śledzenie orientacji podziałów komórkowych podczas rozwoju.
Trzeci szczep wykazuje ekspresję apolipoproteiny VIT-2 połączonej z GFP (pwIs23) oraz mCherry związanej z błoną (ltIs44). Rejestracja była prowadzona przez 25 min przy użyciu stosu 10 warstw (odległość między warstwami 1 μm) pobieranych co 30 sec. Rysunek 8 przedstawia różne płaszczyzny stosu oraz różne punkty czasowe. Można łatwo śledzić szybkie ruchy cząsteczek lipoprotein żółtkowych (zielone) wewnątrz komórek.

Rysunek 1: Układ optyczny SPIM składający się z jednostki oświetlenia i detekcji, widok z przodu i z dołu. W jednostce oświetlenia lasery łączone za pomocą luster dichroicznych wchodzą do AOTF, który niezależnie kontroluje moc każdego lasera. Następnie teleskop powiększa wiązkę 4-krotnie, a peryskop wprowadza ją na wysokość mikroskopu. Soczewka cylindryczna tworzy arkusz światła, który jest refokusowany przez obiektyw oświetlający. Jednostka detekcji jest zintegrowana z mikroskopem prostym i składa się głównie z soczewki detekcyjnej, filtra, soczewki tubusowej oraz EMCCD. Próbka jest umieszczona na przecięciu ścieżek oświetlenia i detekcji. Stolik piezoelektryczny umożliwia przemieszczanie próbki w pionie (Z) w celu akwizycji 3D.

Rycina 2: Uchwyt kuwety. Uchwyt składa się z 3 aluminiowych płytek i jest przykręcony do stopnia piezoelektrycznego. Kuweta szklana jest utrzymywana przez sprężynę (zaznaczona na czerwono).

Rycina 3: Protokół montażu embrionów C. elegans do eksperymentów SPIM. Odcięty kawałek szkła jest powlekany poli-L-lizyną. Na powlekanej powierzchni umieszcza się plaster agarowy. Następnie na plaster agarowy nanosi się poli-L-lizynę. Na koniec embriony C. elegans są ustawiane w rzędzie na powlekonym poli-L-lizyną plastrze agarowym.

Rysunek 4: Uchwyt do próbek. Uchwyt jest dopasowany do wymiarów wewnętrznych kuwety szklanej. Dwie sprężyny (zaznaczone na czerwono) utrzymują szkiełko przedmiotowe (opisane na Rysunku 3). Następnie uchwyt ten umieszcza się wewnątrz kuwety szklanej.

Rysunek 5: Uchwyt próbki w kontekście obserwacyjnym. Zarodki zostają unieruchomione na szkiełku przedmiotowym zgodnie z protokołem przedstawionym na Rysunku 3. Szkiełko jest trzymane przez uchwyt próbki opisany na Rysunku 4. Uchwyt próbki jest włożony do szklanej kuwety, trzymanej przez uchwyt opisany na Rysunku 2. Arkusz światła przebiega poziomo i oświetla zarodki z boku. Obiektyw detekcyjny jest ustawiony pionowo, nad próbką.

Rysunek 6: Nagranie zarodka C. elegans wyrażającego fuzję histonu::GFP. Obrazy pojedynczej płaszczyzny transgenicznego zarodka wyrażającego fuzję histonu::GFP (zuIs178; stIs10024) w różnych punktach czasowych. Obrazy wyekstrahowane z trójwymiarowego nagrania time-lapse: stosy składające się z 20 przekrojów (odległość między przekrojami 1 µm); czas ekspozycji na przekrój: 30 msec; odstęp czasu między stosami: 37 sec; całkowity czas akwizycji: 2 hr. Strzałka: jądro w interfazie, grot strzałki: skondensowana chromatyna mitotyczna. W t = 0 min zarodek znajduje się w stadium 2 komórek, a w t = 120 min zarodek zawiera około 70 komórek, co jest zgodne z normalną prędkością rozwoju (należy zauważyć, że na zdjęciach widoczne są tylko komórki znajdujące się w jednej płaszczyźnie, a nie wszystkie komórki zarodka). Moc oświetlenia wynosiła 30 µW przy 488 nm (mierzona na wyjściu z obiektywu oświetlającego). Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film.

Rysunek 7: Rejestracja zarodka C. elegans wykazującego ekspresję fuzji Tubulin::GFP oraz fuzji Histone::mCherry. Obrazy wyekstrahowane z trójwymiarowego nagrania time-lapse zarodka C. elegans wykazującego ekspresję fuzji Tubulin::GFP (ruIs57) oraz fuzji Histone::mCherry (itIs37 ; stIs10226). Warunki rejestracji: akwizycja stosu 20 przekrojów (odległość między przekrojami 1 µm) co 105 sec; całkowity czas akwizycji: 16 min; czas ekspozycji: 200 msec dla każdego kanału. Panel a przedstawia 10 przekrojów z tego samego stosu. Panel b przedstawia ten sam przekrój co 210 sec. Moc oświetlenia wynosiła odpowiednio 30 µW i 300 µW dla laserów 488 i 561 nm (mierzona na wyjściu obiektywu oświetlającego). Kliknij tutaj, aby obejrzeć to wideo.

Rycina 8: Rejestracja zarodka C. elegans wyrażającego fuzję VIT-2::GFP oraz mCherry skierowaną do błony komórkowej. Obrazy wyodrębnione z 3D time-lapse rejestracji zarodka C. elegans wyrażającego fuzję VIT-2::GFP (pwIs23) oraz mCherry skierowaną do błony komórkowej (ltIs44). Warunki rejestracji: akwizycja stosu 10 warstw (odległość między warstwami 1 µm) co 30 sec; całkowity czas akwizycji: 25 min; czas ekspozycji na kanał: 200 msec. Panel a przedstawia 5 pierwszych warstw tego samego stosu. Panel b przedstawia tę samą warstwę co 30 sec. Kliknij tutaj, aby obejrzeć to wideo.
Protokół ten opisuje łatwą konfigurację mikroskopii arkuszowej światła do obrazowania in vivo zarodków C. elegans . Elementy optyczne niezbędne do stworzenia i wyrównania arkusza świetlnego, w tym lasery, ekspander wiązki, soczewki kolimacyjne i skupiające, można łatwo zamontować na stole optycznym. W połączeniu z pionowym mikroskopem dla ścieżki detekcji i kamerą zapewnia to proste rozwiązanie do konfiguracji mikroskopu z arkuszami świetlnymi.
Ta geometria sprawia, że przykładowe środowisko jest proste. Żywy okaz umieszcza się w szklanej kuwecie, która jest trzymana, ustawiana i przesuwana przez mały zestaw mechanicznych elementów. Ponieważ mikroskopia oświetlenia arkuszy jest techniką szerokokątną z możliwością cięcia, do obrazowania 3D wymagany jest tylko jednoosiowy ruch zmotoryzowany. Ogranicza to wymóg synchronizacji do jednego elementu skanującego i ułatwia tworzenie oprogramowania. W porównaniu z iSPIM6 nasza pionowa geometria pozwala na użycie soczewki obiektywu o wysokiej NA do detekcji. W porównaniu z konfiguracjami SPIM z soczewkami obiektywowymi w płaszczyźnie poziomej, montaż próbki i obrazowanie serii zarodków są łatwiejsze. Ogólnie rzecz biorąc, wdrożenie tej techniki jest proste i można je osiągnąć przy niewielkiej wiedzy z zakresu optyki. Jest to tańsza alternatywa dla mikroskopów konfokalnych, której zaletą jest większa prędkość i zmniejszona fototoksyczność, ale wadą jest niższa rozdzielczość osiowa.
Opracowaliśmy również łatwy i powtarzalny sposób montowania zarodków C. elegans do obrazowania in vivo za pomocą tego systemu. Procedura montażu jest szybka (15 min) i nadaje się do codziennych eksperymentów. W przypadku obrazowania C. elegans zalety tej prostej konfiguracji są co najmniej dwojakie: (i) obrazowanie in toto jest możliwe bez rotacji, a zatem rekonstrukcja 3D jest prosta; (ii) montaż próbki jest łatwy, a wiele zarodków można sekwencyjnie obrazować na tym samym szkiełku. Pokazaliśmy przykłady filmów poklatkowych z wystarczającą rozdzielczością czasową, aby zaobserwować podziały komórek i zmiany kształtu komórek. Moc mikroskopii arkuszowej światła w badaniu rozwoju C. elegans została również niedawno zilustrowana przez innych6, 7, 8. Dlatego ta technika będzie bardzo przydatna do badania morfogenezy i wzorca zarodka C. elegans .
Czy system ten może być również wykorzystywany do analizy rozwoju innych organizmów modelowych? Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że wdrożenie mikroskopii oświetlenia arkuszowego dla małych i przezroczystych organizmów, takich jak C. elegans, jest mniej rygorystyczne niż dla większych organizmów, takich jak zarodki Drosophila . Obrazowanie in toto Drosophila zwykle wymaga rekonstrukcji rotacyjnych i wielowidokowych9, 10. Wzbudzenie z dwóch stron za pomocą współliniowych soczewek obiektywowych wzbudzenia może również zmniejszyć efekty cienia spowodowane tłumieniem światła11. Jednak przedstawiona tutaj konfiguracja jest nadal przystosowana do obrazowania jednej strony zarodków Drosophila , z niskim poziomem bielenia i niską fotoksycznością. Ta konfiguracja może być również przydatna do obrazowania małych i przezroczystych zarodków, takich jak workowate lub danio pręgowany.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Dziękujemy wszystkim członkom laboratoriów Lenne i Bertrand, w szczególności Olivierowi Blancowi za rozwój oprogramowania i Jérémie Capoulade za dyskusję. Dziękujemy również ośrodkowi obrazowania PICsL-IBDM, w szczególności Claude'owi Morettiemu i Brice'owi Detailleurowi za wsparcie techniczne.
Ta praca była wspierana przez granty ATIP od CNRS (dla P.-F. L. i V.B.), grant Labex INFORM (dla P.-F.L. i V.B.) oraz grant od Sanofi-Aventis (dla V.B.). Wyrażamy uznanie dla infrastruktury France-BioImaging wspieranej przez Agence Nationale de la Recherche (ANR-10-INSB-04-01, nazwa "Investissements d'Avenir").
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| SPIM | |||
| Pionowy mikroskop detekcyjny | |||
| Obiektyw ZEISS | Axiophot 1 | ||
| 100x W (NA 1.1, W.D. 2.5mm) | NIKON | ||
| EMCCD podświetlany tylnie | ANDOR | DU-885K-CS0-#VP | |
| Illumination | |||
| LASER 488 nm / 60 mW | TOPTICA | iBeam smart | |
| LASER 405 nm / 120 mW | TOPTICA | iBeam smart | |
| LASER 561 nm / 500 mW | COBOLT | JIVE 500 | do obrazowania poklatkowego wystarczy filtr 50 lub 100 mW |
| Poczwórny liniowy laser odrzucający ZET 405/488/561/638 | AHF | F57-405 | |
| Dichroic 405 | AHF | F38-405 | |
| Dichroic 488 | SEMROCK | Di01-R488 | |
| AOTF | AA | AOTFnC-400.650-TN | |
| lustrzana soczewka 50 | |||
| mm | THORLABS | teleskop 5X | |
| obiektyw 200 mm | THORLABS | teleskop 5X | |
| peryskop | THORLABS | RS99/M | |
| soczewka cylindryczna f=100mm | THORLABS | ACY254-100-A | |
| 10X NA 0,3 | NIKON | ||
| xyz stage | NEWPORT | ||
| Próbka | |||
| Bacto Agar | Bectkton Dickinson | 214010 | 5% w wodzie |
| roztwór poli-L-lizyny | Sigma | P8920 | |
| Kapilary GC100F-10, 1.0mm ød, 0,58mm ID, 100 mm L | Havard Appartus | 30-0019 | |
| Rurka aspiracyjna (pipeta doustna) | Dutsher | 55005 | |
| M9 medium: | |||
| KH2PO4 (3g/L) | Dowolny dostawca | ||
| Na2HPO4 (6g/L) | Dowolny dostawca | ||
| NaCL (5g/L) | Dowolny dostawca | ||
| MgSO4 (1 mM final) | Dowolny dostawca | ||
| uchwyt na kuwetę | HOME MADE | made by Brice Detailleur | |
| uchwyt na próbki | HOME MADE | wykonany przez Claude'a Morettiego | |
| x stage | NEWPORT | ||
| szkiełko nakrywkowe 50x20x1 mm | MARIENFELD | następnie cięte w 10x20x1mm | |
| stolik piezoelektryczny ze wzmacniaczem/sterownikiem | PI | P-622. Kuweta ZCD / E-625.CR | |
| 40mmx40mmx10mm | HELLMA | 704.002-OG.40 mm- Ołówek | |
| VWR | |||
| Software | |||
| C++ (Qt) domowe oprogramowanie | opracowane przez Oliviera Blanca i Claire Chardè s, dostępne na zamówienie. Alternatywne rozwiązania: mikromenedżer lub labview | ||
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie