Nasza wiedza na temat ultrastruktury komórek pochodzi głównie z mikroskopii elektronowej, która może rozdzielić szczegóły w zakresie kilku nanometrów 1. Pomimo tak potężnej rozdzielczości, TEM nie jest uważany za przyjazny dla użytkownika, ponieważ przygotowanie próbki wymaga czasochłonnych i pracochłonnych protokołów oraz wymaga pewnej wiedzy specjalistycznej od praktyka. Tradycyjne utrwalanie próbek łączyło użycie aldehydów i tetratlenku osmu przed dalszym przetwarzaniem, które obejmuje odwodnienie, zatopienie w żywicy, a następnie cięcie w celu wytworzenia ultracienkich skrawków, które są następnie barwione metalami ciężkimi. Wiadomo jednak, że utrwalanie chemiczne może powodować artefakty, w tym agregację białek i utratę lipidów 1 oraz zmiany w błonach, które ostatecznie wpływają na kilka przedziałów komórkowych 2. Artefakty te są w dużej mierze przypisywane powolnemu tempu utrwalania i odwadniania w temperaturze pokojowej 3,4,5.
Kriofiksacja przez zamrażanie pod wysokim ciśnieniem (HPF) pozwala uniknąć większości artefaktów spowodowanych chemicznym utrwalaniem. Zasada kriofiksacji polega na tym, że obniża temperaturę zamarzania wody o 20 stopni, spowalnia zarodkowanie i wzrost kryształków lodu oraz zwiększa lepkość wody w próbce biologicznej, dzięki czemu składniki komórkowe są zasadniczo unieruchomione 6, 7. HPF obniża temperaturę próbki do temperatury ciekłego azotu pod bardzo wysokim ciśnieniem (210 MPa lub 2100 barów) w ciągu milisekund. Prawidłowo wykonany HPF zapobiega tworzeniu się dużych kryształków lodu, które mogą spowodować poważne uszkodzenie ultrastruktury komórek. HPF może być stosowany do utrwalania próbek o grubości 100-200 μm przy typowych stężeniach substancji rozpuszczonych biologicznie 7. Istnieje wiele recenzji na temat fizyki i zasad leżących u podstaw HPF, np. 1,7,8.
Po HPF, próbki są inkubowane w niskiej temperaturze (-78.5 °C do -90 °C) w obecności płynnego rozpuszczalnika organicznego zawierającego chemiczne utrwalacze, takie jak tetratlenek osmu, zazwyczaj przez kilka dni. W tej niskiej temperaturze woda w próbce jest zastępowana rozpuszczalnikiem organicznym, zazwyczaj acetonem lub metanolem 1,9. Dlatego proces ten nazywa się substytucją przez zamrożenie (FS). Próbka jest następnie stopniowo podgrzewana i w tym czasie utrwalana, zwykle za pomocą tetratlenku osmu i octanu uranylu 9. Sieciowanie w niskich temperaturach ma tę zaletę, że utrwala cząsteczki, które są unieruchomione 1. W związku z tym FS wytwarza próbki o wyższej jakości w porównaniu z próbkami utrwalonymi przez konwencjonalne utrwalanie chemiczne w temperaturze pokojowej, w szczególności skutkuje to lepszą konserwacją ultrastrukturalną, lepszym zachowaniem antygenowości i zmniejszoną utratą niezwiązanych składników komórkowych 10,11.
Większość FS jest przeprowadzana przez długie okresy czasu, zazwyczaj do kilku dni. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku próbek roślin 12,13,14. Niedawny protokół opracowany przez McDonalda i Webba znacznie skraca czas FS z kilku dni do kilku godzin 15. W procedurze szybkiego zamrożenia (QFS) FS przeprowadza się w ciągu 3 godzin, podczas gdy w procedurze super szybkiej FS (SQFS) próbki są przetwarzane w ciągu 90 minut. Jakość próbek wytwarzanych tymi metodami jest porównywalna z jakością uzyskiwaną przy użyciu tradycyjnych protokołów FS. Przyjęliśmy protokół QFS do dalszego przetwarzania próbek roślinnych po HPF. Okazało się, że pozwala to zaoszczędzić nie tylko czas, ale także pieniądze, ponieważ QFS i SQFS wykorzystują wspólny sprzęt laboratoryjny zamiast kosztownych dostępnych na rynku maszyn FS.
Przygotowanie tkanek roślinnych do TEM jest często bardzo trudne. Średnio komórki roślinne są większe niż komórki bakteryjne lub zwierzęce. Obecność hydrofobowego woskowego naskórka, grubych ścian komórkowych, dużych wypełnionych wodą wakuoli zawierających kwasy organiczne, hydrolazy i związki fenolowe, które mogą zajmować do 90% całkowitej objętości komórki 16, oraz obecność napowietrzonych przestrzeni znacznie obniża przewodność cieplną systemu 17. Ponadto, w przypadku roślin, grubość próbki prawie zawsze przekracza 20 μm, co stanowi granicę stosowania wiązania chemicznego. Przy tych grubościach niska przewodność cieplna wody zapobiega zamarzaniu większej niż -10 000 °C/s w środku próbki. Szybkość ta jest wymagana, aby uniknąć szkodliwego tworzenia się lodu heksagonalnego (kryształki lodu o mniejszej gęstości i długości fali większej niż 10 do 15 nm) 8. Razem stanowią one wyzwanie zarówno dla prawidłowego zamrożenia próbki, jak i późniejszej FS. Niemniej jednak kriofiksacja jest najlepszą metodą utrwalania próbek roślin. W tym miejscu przedstawiono protokół HPF-QFS próbek tkanek roślinnych. Koncentruje się na gatunku modelowym Arabidopsis thaliana, ale był również używany z Nicotiana benthamiana. Typowe wyniki pokazują, że HPF-QFS wytwarza próbki o jakości porównywalnej do tradycyjnego HPF-FS w ułamku czasu. Przy odpowiednich dostosowaniach protokół ten może być również stosowany w przypadku innych stosunkowo grubych próbek biologicznych.