Ten protokół opisuje konfigurację mikroskopu z arkuszem świetlnym i jego implementację do obrazowania in vivo zarodków C. elegans.
Method Article
* 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 3D z nagraniami poklatkowymi z trzech różnych szczepów C. elegans ilustrują rodzaj danych, które można uzyskać za pomocą opisanej powyżej konfiguracji mikroskopu z arkuszem świetlnym. 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 tylko niskie poziomy fototoksyczności w zarodkach C. elegans 6,7.
Pierwszy szczep wykazuje ekspresję histonu połączonego z GFP (zuIs178;stIs10024). Zapis prowadzono przez 2 godziny ze stosem 20 warstw (odległość między warstwami 1 μm) wykonywanymi co 37 sekund. Rysunek 6 ilustruje jedną płaszczyznę stosu w różnych punktach czasowych. Wyraźnie widoczne są zarówno jądra międzyfazowe (strzałka), jak i skondensowana chromatyna mitotyczna (grot strzałki).
Drugi szczep wyraża tubulinę zrośniętą z GFP (ruIs57) i histon połączony z mCherry (itIs37; stIs10226). Zapis prowadzono przez 16 minut ze stosem 20 warstw (odległość między warstwami 1 μm) wykonywanymi co 105 sekund. Rysunek 7 ilustruje różne płaszczyzny stosu i różne punkty czasowe. Powiązany film 1 wyświetla rekonstrukcje 3D w 3 kolejnych punktach czasowych. Podczas podziału wrzeciono mitotyczne (kolor zielony) i skondensowane chromosomy (kolor czerwony) są wyraźnie widoczne, co pozwala na śledzenie orientacji podziału komórki podczas rozwoju.
Trzeci szczep wykazuje ekspresję apolipoproteiny VIT-2 połączonej z GFP (pwIs23) i mCherry związanej z błoną (ltIs44). Zapis wykonywano w ciągu 25 minut ze stosem 10 warstw (odległość między warstwami 1 μm) wykonywanymi co 30 sekund. Rysunek 8 ilustruje różne płaszczyzny stosu i różne punkty czasowe. Szybkie ruchy cząsteczek lipoprotein żółtka (zielone) w komórkach można łatwo śledzić.

Ilustracja 1: Układ optyczny SPIM składający się z jednostek oświetlenia i detekcji, widoku z przodu i z dołu. W jednostce oświetleniowej lasery połączone przez lustra dichroiczne wchodzą do AOTF, który niezależnie steruje mocą każdego lasera. Następnie teleskop zwiększa rozmiar wiązki 4-krotnie, a peryskop doprowadza ją do wysokości mikroskopu. Cylindryczna soczewka tworzy arkusz świetlny, który jest ponownie ogniskowany przez obiektyw oświetleniowy. Jednostka detekcyjna jest zintegrowana z mikroskopem pionowym i składa się głównie z soczewki detekcyjnej, filtra, soczewki rurki i EMCCD. Próbka jest umieszczana na przecięciu między ścieżkami oświetlenia i wykrywania. Stolik piezoelektryczny umożliwia pionowe (Z) przemieszczenia próbki w celu akwizycji 3D.

Rysunek 2: Uchwyt kuwety. Uchwyt składa się z 3 aluminiowych płytek i jest przykręcony do stolika piezoelektrycznego. Szklana kuweta jest utrzymywana przez sprężynę (w kolorze czerwonym).

Rycina 3: Protokół montażu zarodków C. elegans do eksperymentów SPIM. Wycięty kawałek szkła jest pokryty poli-L-lizyną. Na pokrytej powierzchni umieszcza się podkładkę agaru. Poli-L-lizyna jest następnie dodawana do podkładki agarowej. Wreszcie, zarodki C. elegans są wyrównywane na podkładce agarowej pokrytej poli-L-lizyną.

Rysunek 4: Uchwyt na próbkę. Uchwyt pasuje do wewnętrznych wymiarów szklanej kuwety. Dwie sprężyny (w kolorze czerwonym) przytrzymują szkiełko (opisane na rysunku 3). Ten uchwyt jest następnie umieszczany w szklanej kuwecie.

Rysunek 5: Uchwyt na próbkę w kontekście obserwacji. Zarodki są unieruchamiane na szkiełku podstawowym zgodnie z protokołem podsumowanym na rycinie 3. Szkiełko jest przytrzymywane przez uchwyt na próbkę opisany na rysunku 4. Uchwyt na próbkę umieszcza się w szklanej kuwecie, trzymanej przez uchwyt opisany na rysunku 2. Arkusz świetlny jest poziomy i oświetla zarodki z boku. Soczewka obiektywu detekcji jest pionowa, nad próbką.

Rycina 6: Nagranie zarodka C. elegans wykazującego ekspresję fuzji histonu::GFP. Jednopłaszczyznowe obrazy transgenicznego embrionu wyrażającego fuzję histonu::GFP (zuIs178; stIs10024) w różnych punktach czasowych. Obrazy wyodrębnione z nagrania poklatkowego 3D: stosy złożone z 20 plasterków (odległość między warstwami 1 μm); czas naświetlania na plasterek: 30 ms; odstęp czasu między stosami: 37 sekund; Całkowity czas akwizycji: 2 godz. Strzałka: jądro międzyfazowe, grot strzały: skondensowana chromatyna mitotyczna. W t = 0 min zarodek znajduje się w stadium 2-komórkowym, a w t = 120 min zarodek zawiera około 70 komórek, zgodnie z oczekiwaniami przy normalnej prędkości rozwoju (należy zauważyć, że na zdjęciach widoczne są tylko komórki zawarte w jednej płaszczyźnie, a nie wszystkie komórki zarodka). Moc oświetlenia wynosiła 30 μW przy 488 nm (mierzona na wyjściu obiektywu oświetlającego). Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film.

Rycina 7: Nagranie zarodka C. elegans wykazującego ekspresję fuzji Tubulin::GFP i fuzji Histone::mCherry. Obrazy wyodrębnione z poklatkowego nagrania 3D zarodka C. elegans wyrażającego fuzję Tubulin::GFP (ruIs57) i fuzję Histone::mCherry (itIs37 ; stIs10226). Warunki nagrywania: pobieranie stosu 20 warstw (odległość między warstwami 1 μm) co 105 sekund; całkowity czas akwizycji: 16 min; Czas naświetlania: 200 ms dla każdego kanału. Panel A pokazuje 10 wycinków tego samego stosu. Panel b pokazuje ten sam wycinek co 210 sekund. Moc oświetlenia wynosiła 30 μW i 300 μW, odpowiednio dla laserów 488 i 561 nm (mierzona na wyjściu obiektywu oświetlania). Kliknij tutaj, aby obejrzeć ten film.

Rycina 8: Zapis zarodka C. elegans wykazującego ekspresję fuzji VIT-2::GFP i mCherry ukierunkowanej na błonę. Obrazy wyodrębnione z poklatkowego nagrania 3D zarodka C. elegans wyrażającego fuzję VIT-2::GFP (pwIs23) i mCherry ukierunkowaną na błonę (ltIs44). Warunki nagrywania: pobieranie stosu 10 warstw (odległość między warstwami 1 μm) co 30 sekund; całkowity czas akwizycji: 25 min; Czas naświetlania na kanał: 200 ms. Panel A pokazuje 5 pierwszych plasterków tego samego stosu. Panel b pokazuje ten sam wycinek co 30 sekund. Kliknij tutaj, aby wyświetlić ten film.
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").
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 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 | ||
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission