Mikroskopia elektronowa z zamrażaniem i pękaniem jest główną techniką w badaniach ultrastrukturalnych od ponad 40 lat. Jednak brak skutecznych środków do badania składu molekularnego membran spowodował znaczny spadek jego stosowania. Ostatnio nastąpiło znaczne ożywienie w mikroskopii elektronowej z zamrażaniem i pękaniem ze względu na opracowanie skutecznych sposobów ujawniania integralnych białek błonowych poprzez znakowanie immunozłotem 1, 2, a mianowicie technikę FRIL.
Technika FRIL ma kilka zalet w porównaniu z innymi metodami ultrastrukturalnymi immunogold. Po pierwsze, białka są łatwo dostępne dla przeciwciał, co zwiększa ich czułość. Po drugie, naświetlenie dużej części specjalizacji błony plazmatycznej, takich jak błona postsynaptyczna, na dwuwymiarowej powierzchni repliki pozwala na kontrolę rozkładu przestrzennego i fizycznej styczności cząsteczek będących przedmiotem zainteresowania bez pracochłonnej i czasochłonnej rekonstrukcji seryjnych ultracienkich odcinków. Po trzecie, dostępność obu połówek błony plazmatycznej zwiększa liczbę białek, które można znakować dla każdej pojedynczej struktury, pod warunkiem, że dostępne są odpowiednie przeciwciała. Po pęknięciu hydrofobowa powierzchnia rozszczepionej błony jest pokryta węglem i platyną, która okopuje domeny białkowe pozostające na pękniętej powierzchni. Zapobiega to dostępowi przeciwciał do antygenów w tych domenach. Na przykład na powierzchni P repliki tylko epitopy skierowane w przestrzeń protoplazmatyczną mogą być wykryte przez przeciwciała, podczas gdy na powierzchni E tylko epitopy skierowane w przestrzeń egzoplazmatyczną mogą być wiązane przez przeciwciała (patrz ryc. 2).
Z drugiej strony, technika FRIL również cierpi z powodu pewnych ograniczeń 2. Ponieważ złamania występują losowo, może być trudno celować w określone komórki lub struktury. Może to również prowadzić do błędu systematycznego próbkowania, np. w zbieraniu synaps, biorąc pod uwagę różne prawdopodobieństwo pęknięcia wzdłuż błony struktur o różnej krzywiźnie (np. kolce kontra trzony). Co więcej, alokacja białek błonowych do jednej z dwóch ścian jest nieprzewidywalna. Dlatego dystrybucja białka do powierzchni P lub E, szczególnie w przypadku badań ilościowych, powinna być dokładnie zbadana przy użyciu przeciwciał reagujących na domeny wewnątrzkomórkowe i zewnątrzkomórkowe. Wreszcie, identyfikacja w replice niektórych struktur, takich jak presynaptyczne zakończenia aksonów, może być trudna, gdy opiera się tylko na cechach morfologicznych. Jednak zastosowanie specyficznych przeciwciał dla białek markerowych lub transdukcja znakowanych integralnych białek lub kanałów błonowych za pomocą wektorów wirusowych oferuje dodatkowe narzędzia ułatwiające identyfikację pękniętych błon. Na przykład w badaniu tym wykorzystano transdukcję ChR2-YFP w neuronach wzgórzowych w celu zidentyfikowania ich aksonalnych eferentów w ciele migdałowatym lub znakowania receptorów μ-opioidowych w celu odsłonięcia błon postsynaptycznych neuronów ITC.
Aby skutecznie wykonać technikę FRIL, należy zwrócić szczególną uwagę na utrwalenie tkanek. Silne utrwalenie tkanek (> 2% paraformaldehydu) może skutkować wysokim wskaźnikiem złamań krzyżowych i zmniejszeniem czułości znakowania. Z drugiej strony, słabe fiksacje utrudniają obchodzenie się z tkankami i ich przygotowanie (np . wycinanie skrawków). Ważne jest również, aby kontrolować, czy grubość przyciętych klocków odpowiada grubości taśmy dwustronnej. Jeśli grubość próbki jest mniejsza niż grubość taśmy, powierzchnie tkanki mogą nie przylegać do powierzchni dwóch metalowych nośników, w związku z czym zamrożona próbka nie zostanie pęknięta. Jeśli tkanka jest grubsza, zostanie ściśnięta z nieuniknionymi zniekształceniami strukturalnymi, gdy zostanie wykonana kanapka dwóch miedzianych nośników. Temperatura, w jakiej dochodzi do złamania egzemplarza (w tym protokole -115 °C) odgrywa również ważną rolę w budowie repliki. Wyższe temperatury mogą powodować większą szybkość artefaktów, takich jak kondensacja pary wodnej na powierzchni tkanki przed lub podczas parowania. Niższe temperatury (< -125 °C) mogą zwiększać ryzyko oderwania się materiału podczas szczelinowania. Materiał ten może spaść na powierzchnię próbki lub pozostać z nią połączony. Te płatki materiału są również powlekane i kontrastowane, tworząc ciemne plamy na obrazie. Pękanie w niższych temperaturach może również wpływać na częstotliwość pęknięć krzyżowych, szczególnie w przypadku małych drobnych struktur, takich jak kolce dendrytyczne. Kolejnym krytycznym krokiem w przygotowaniu replik jest trawienie detergentem. Jeśli trawienie jest niekompletne, niestrawiona tkanka pojawia się jako ciemne plamy na replice, co zakłóca analizę struktury w TEM. Co więcej, niestrawiona tkanka może niespecyficznie wychwytywać lub wiązać przeciwciała, zwiększając znakowanie tła. Z drugiej strony, stosowanie detergentów do trawienia tkanek może denaturować cząsteczki związane z repliką, zmieniając ich drugorzędowe i trzeciorzędowe struktury. Dlatego w przypadku niektórych antygenów może być konieczne stopniowe rozcieńczanie stężenia SDS za pomocą dodatkowych etapów mycia.
W przypadku znakowania immunologicznego dostępność różnych rozmiarów cząsteczek złota sprzężonych z przeciwciałami drugorzędowymi pozwala na wykrycie w tym samym czasie, ale tylko jakościowo, wielu białek, nawet w określonych mikrodomenach błony komórkowej, takich jak specjalizacja postsynaptyczna. Jednak ze względu na przeszkodę steryczną, badania ilościowe są na ogół ograniczone do wykrycia tylko jednej cząsteczki. Wielkość cząsteczki złota może również wpływać na skuteczność etykietowania.
W celu interpretacji znakowania w FRIL należy pamiętać, że cząstka immunozłota może znajdować się w dowolnym miejscu na półkuli o promieniu 20-25 nm od antygenu ze względu na elastyczny kompleks utworzony przez przeciwciało pierwszorzędowe i wtórne 26. W celu uzyskania dalszych informacji na temat teorii i praktyki FRIL i technik pokrewnych odsyłamy czytelnika również do innych artykułów metodologicznych 27, 28.
Technika FRIL została ostatnio wykorzystana do wysokorozdzielczych analiz ilościowych lokalizacji receptora glutaminianu w różnych populacjach synaps 29, 30. Co więcej, czułość wykrywania techniki FRIL dla AMPA-R oszacowano na poziomie jednej cząsteczki immunozłota na jeden funkcjonalny kanał AMPA-R 29. Tak więc podejście to jest ogólnie bardzo przydatne do ilościowego określania i analizowania wzorca postsynaptycznej ekspresji AMPA-R i NMDA-R w centralnych synapsach. Tutaj wykazaliśmy jego zastosowanie w synapsach PIN/MGn-ITC, miejscu najprawdopodobniej ważnym dla przekazywania informacji amerykańskich podczas warunkowania strachu. Używając przeciwciała podniesionego przeciwko wysoce konserwatywnym zewnątrzkomórkowym resztom aminokwasowym podjednostek receptora AMPA GluA1-GluA4, znaleźliśmy równomierny rozkład cząstek złota w klastrach IMP odpowiadających specjalizacji błony postsynaptycznej. Gęstość AMPA-R w kolcach ITC była istotnie wyższa w porównaniu z synapsami trzonu, do których kierowane są aferenty wzgórzowe PIN/MGn. Zarówno w synapsach kręgosłupa, jak i trzonu wykryto dodatnią korelację między znakowaniem AMPA-Rs a obszarem postsynaptycznym, co jest cechą wspólną dla innych synaps glutaminergiczne25. Niska wariancja gęstości AMPA-R w synapsach PIN/MGn-ITC wskazuje na jednorodną dystrybucję podobną do innych synaps utworzonych przez eferenty wzgórzowe 7, ale różną od synaps korowych 25. I odwrotnie, gęstość NMDA-Rs była bardziej zmienna i nie różniła się między synapsami kręgosłupa i trzonu, co sugeruje inną regulację niż AMPA-R. W przyszłości wysoka odtwarzalność techniki FRIL nie tylko pozwoli na ocenę podstawowego składu molekularnego centralnych synaps, ale może również ułatwić wykrywanie zmian w liczbie jonotropowych receptorów glutaminianu i dystrybucji subsynaptycznej po uczeniu się strachu, uzupełniając zapisy ex-vivo pre- i postsynaptycznych właściwości tych danych wejściowych.
Podsumowując, podejście to może być wykorzystane przez innych badaczy w celu uzyskania wglądu w relacje struktura-funkcja synaps pobudzających specyficznych dla danych wejściowych w wielu innych obwodach neuronalnych, w których rozwikłanie pochodzenia danych wejściowych oraz natury i składu elementów postsynaptycznych jest kluczowe, ale problematyczne.