Wizualizacja dynamiki błony i białka w komórce jest kluczowym krokiem w kierunku zrozumienia biologii komórek poszczególnych procesów. Dynamiczne zdarzenia związane z handlem można rejestrować za pomocą mikroskopii świetlnej lub fluorescencyjnej. Jednak w takich obrazach w dużej mierze brakuje kontekstu subkomórkowego, ponieważ struktury subkomórkowe nie mogą być całkowicie "pomalowane" przez barwniki lub sondy fluorescencyjne i rozdzielone przestrzennie i spektralnie1,2. Z drugiej strony, podczas gdy mikroskopia elektronowa może nakreślić architekturę subkomórkową w najdrobniejszych szczegółach, nie może uchwycić dynamiki komórkowej, ponieważ próbki muszą być utrwalone przed obrazowaniem. W związku z tym zazwyczaj nie wystarcza pełne zrozumienie dynamiki komórkowej przy użyciu tylko jednej metody obrazowania.
Aby przezwyciężyć ograniczenia mikroskopii świetlnej i elektronowej, opracowano techniki mikroskopii korelacyjnej. Korelacyjna mikroskopia świetlna i elektronowa (CLEM) wizualizuje dynamikę wewnątrzkomórkową za pomocą mikroskopii świetlnej i leżących pod nią struktur subkomórkowych za pomocą mikroskopii elektronowej. W CLEM komórki zaangażowane w różne procesy, takie jak cytokineza i endocytoza3,4,5,6, są obrazowane na żywo, a następnie przetwarzane do mikroskopii elektronowej. Chociaż CLEM ujmuje pewne aspekty dynamiki wewnątrzkomórkowej, istnieją cztery czynniki, które ograniczają użyteczność tego podejścia. Po pierwsze, rozdzielczość czasowa jest ograniczona przez to, jak szybko komórki mogą zostać unieruchomione, co zwykle trwa s - min ze względu na powolną dyfuzję i reakcję utrwalaczy7. Po drugie, architektura subkomórkowa jest obserwowana post facto8; W związku z tym dynamiczne zmiany morfologiczne nie mogą być uchwycone przy użyciu tego podejścia. Po trzecie, mikrofotografie fluorescencji i elektronów nie mogą być precyzyjnie wyrównane ze względu na kurczenie się tkanek spowodowane odwodnieniem podczas przygotowywania próbki do mikroskopii elektronowej9,10. Po czwarte, zdarzenia takie jak cytokineza i endocytoza nie zachodzą w tym samym czasie w każdej komórce5,11, a zatem konkretna komórka, która jest zaangażowana w zdarzenie, musi zostać zidentyfikowana z dużej populacji komórek. Ten proces jest często pracochłonny. W związku z tym niezbędna jest nowa metoda, aby wywołać określone zdarzenia w każdej komórce i uchwycić wynikającą z tego dynamikę komórkową poprzez szybkie unieruchomienie komórek w określonych punktach czasowych.
Ostatnio opracowano kilka narzędzi do indukowania określonej dynamiki komórkowej za pomocą światła (optogenetyka). Rodopsyna kanałowa jest światłoczułym, nieselektywnym kanałem kationowym wyizolowanym z Chlamydomonas reinhardtii12,13. Kiedy rodopsyna kanałowa ulega ekspresji w błonach neuronalnych, krótki błysk światła indukuje napływ jonów sodu do neuronów i wyzwala potencjał czynnościowy14,15. Potencjał czynnościowy następnie rozchodzi się do zakończeń synaptycznych, gdzie pęcherzyki synaptyczne łączą się w ciągu milisekund16,17,18 Dlatego rodopsyna kanałowa indukuje aktywność neuronalną. Aby śledzić dynamikę błony na zakończeniach synaptycznych, neurony muszą być unieruchomione w określonych punktach czasowych po stymulacji z precyzją ms.
Aby uchwycić dynamikę błony po wywołaniu aktywności neuronalnej, połączyliśmy stymulację światłem z zamrażaniem pod wysokim ciśnieniem17,18,19. Zamrażanie pod wysokim ciśnieniem pozwala na niemal natychmiastowe unieruchomienie komórek przy zmniejszonym tworzeniu się kryształków lodu20. Kryształki lodu mogą pękać błony i zakłócać architekturę subkomórkową21. Zmieniając odstępy czasu między stymulacją a zamrożeniem, transport błonowy w obrębie zakończeń synaptycznych został uchwycony po indukcji potencjału czynnościowego.
Tutaj demonstrujemy eksperymentalne procedury z wykorzystaniem skomercjalizowanego zamrażarki wysokociśnieniowej, która łączy czasową kontrolę stymulacji świetlnej z zamrażaniem wysokociśnieniowym. W przeciwieństwie do innych instrumentów, które wymagają zewnętrznego urządzenia do sterowania stymulacją światłem i zamrażaniem, stymulacja światłem jest w pełni zintegrowana z tym systemem i może być stosowana za pomocą ms precision19. Proces ten składa się z wielu etapów. 1) Neurony hipokampa myszy są hodowane na dyskach szafirowych i zakażone lentiwirusem przenoszącym wektor ekspresyjny dla rodopsyny kanałowej18. 2) Neurony są stymulowane i zamrażane w określonych punktach czasowych po stymulacji. 3) Zeszklona woda jest zastępowana rozpuszczalnikiem organicznym, podczas gdy lipidy i białka są sieciowane utrwalaczami w celu zachowania architektury wewnątrzkomórkowej. 4) Próbki są infiltrowane i zatopione w żywicy epoksydowej. 5) Ultracienkie skrawki pobiera się za pomocą ultramikrotomu. 6) Cienkie przekroje są obrazowane na transmisyjnym mikroskopie elektronowym. 7) Akwizycja i analiza obrazu odbywa się na ślepo w odniesieniu do punktów czasowych lub genotypów. Dynamikę komórkową można określić poprzez rekonstrukcję obrazów rozdzielczych w czasie17,18. Przygotowanie próbki (kroki 2 - 5 powyżej) wymaga tygodnia, ale późniejsza analiza obrazu trwa od miesięcy do roku.