Demonstrujemy metodę obrazowania wielu cząsteczek w heterogenicznych nanostrukturach z dokładnością do pojedynczej cząsteczki, wykorzystując sekwencyjne wiązanie i elucję fluorescencyjnie znakowanych przeciwciał.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Demonstrujemy metodę obrazowania wielu cząsteczek w heterogenicznych nanostrukturach z dokładnością do pojedynczej cząsteczki, wykorzystując sekwencyjne wiązanie i elucję fluorescencyjnie znakowanych przeciwciał.
Obrazowanie heterogenicznych struktur komórkowych za pomocą mikroskopii lokalizacji pojedynczych cząsteczek zostało utrudnione przez niewystarczającą precyzję lokalizacji i zdolność multipleksowania. Korzystając z fluorescencyjnych nano-diamentowych markerów odniesienia, opisujemy procedury korekcji dryfu i wyrównania wymagane do uzyskania wysokiej precyzji w mikroskopii lokalizacji pojedynczych cząsteczek. Ponadto opisano nową strategię multipleksowania, madSTORM, w której wiele cząsteczek jest celowanych w tę samą komórkę za pomocą sekwencyjnego wiązania i elucji przeciwciał fluorescencyjnych. Projekt madSTORM zademonstrowano na aktywowanym limfocytie T w celu wizualizacji lokalizacji różnych składników w połączonej z błoną, wielobiałkowej strukturze zwanej mikroklastrem receptorów limfocytów T. Ponadto omówiono zastosowanie madSTORM jako ogólnego narzędzia do wizualizacji struktur wielobiałkowych.
Opracowano różne techniki mikroskopii super-rozdzielczej, aby przezwyciężyć granicę dyfrakcji mikroskopii świetlnej (~200 nm). Wśród nich znajduje się kategoria technik zwanych mikroskopią lokalizacji pojedynczych cząsteczek (SMLM), która obejmuje mikroskopię lokalizacji fotoaktywacyjnej (PALM) i stochastyczną mikroskopię rekonstrukcji optycznej (STORM). Techniki SMLM polegają na wykorzystaniu fluoroforów, które można przełączać między stanami włączonymi (fluorescencyjnymi) i wyłączonymi (ciemnymi/przełączanymi foto), co pozwala na sekwencyjną lokalizację fluorescencji z pojedynczych cząsteczek1,2,3.
Ze względu na kompatybilność z dostępnymi na rynku barwnikami i mikroskopami, bezpośrednia STORM (dSTORM) stała się powszechnie stosowaną techniką SMLM4. dSTORM może rutynowo osiągnąć ~10 nm precyzję lokalizacji, zdefiniowaną jako niepewność w obliczeniach środka funkcji rozproszonego dyfrakcyjnie (PSF). Jednak pomimo wysokiej precyzji oszacowanej za pomocą algorytmów lokalizacji5,6,7, dokładne określenie rzeczywistej lokalizacji pojedynczych cząsteczek było utrudnione przez szereg problemów. Po pierwsze, mechaniczny ruch stolika mikroskopu podczas akwizycji obrazu zwiększa znaczną niepewność co do precyzji lokalizacji. Ponieważ obrazy SMLM są uzyskiwane w tysiącach klatek poklatkowych, ruchy stolika mikroskopu w skali nano mogą znacznie zagrozić precyzji końcowego obrazu o wysokiej rozdzielczości8. Aby skompensować ruch stołu montażowego podczas akwizycji obrazu, dryf etapu jest zwykle szacowany na podstawie dopasowania na podstawie regresji lokalizacji binowanych na podstawie samego obrazu (korelacja krzyżowa) lub lokalizacji sekwencyjnych na podstawie znaczników odniesienia (korekcja odniesienia)1,9. Metody te wymagają jednak optymalizacji wielu parametrów dla każdego stosu obrazów i nie mogą uwzględniać ruchów stołu montażowego w krótkich skalach czasowych, takich jak drgania mechaniczne. Nanocząstki złota i wielokolorowe kulki fluorescencyjne zostały użyte jako znaczniki odniesienia w SMLM, ale nie są one fotostabilne i skutkują znacznie niższą precyzją po korekcji dryfu niż fluorescencyjne nanodiamenty (FND) w centrum wakancji azotu stosowane w madSTORM10.
Oprócz limitu dyfrakcji, mikroskopia świetlna jest dodatkowo ograniczona przez limity spektralne. Jednoczesna wizualizacja wielu celów wymaga sond fluorescencyjnych o nienakładających się profilach spektralnych, co generalnie ogranicza mikroskopię świetlną opartą na fluorescencji do 6 kolorów, a SMLM do 2-3 kolorów4,11,12. Co więcej, nieliniowa aberracja chromatyczna powoduje niewspółosiowość obrazów wielokolorowych, które wymagają obszernych procedur wyrównywania przy użyciu wielokolorowych znaczników odniesienia8,13. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, poprzednie badania obrazowały wiele celów za pomocą powtarzającego się fotowybielania lub chemicznego gaszenia sekwencyjnie związanych fluoroforów14,15,16,17,18,19. Podczas gdy te metody mogą przezwyciężyć ograniczenia spektralne mikroskopii, bielenie fluorescencyjne jest znane jako proces toksyczny20, a długotrwałe wybielanie lub hartowanie może powodować niepożądane skutki uboczne, takie jak utrata sieciowania. Co więcej, nagromadzenie sond fluorescencyjnych może prowadzić do sterycznego blokowania miejsc wiązania w próbce, zapobiegając multipleksowaniu na dużą skalę i solidnemu celowaniu w epitopy. Aby uniknąć takich zakłóceń sterycznych, w niedawnym badaniu osiągnięto multipleksowanie za pomocą stochastycznej wymiany swobodnie dyfuzujących fragmentów białek21. Podczas gdy metoda ta pozwala na gęste znakowanie struktur komórkowych, wymaga rozległego przygotowania biochemicznego do wyizolowania fragmentów peptydów, nie może zlokalizować pozycji pojedynczych cząsteczek i nie ułatwia multipleksowania na dużą skalę przy użyciu dostępnych na rynku sond. Przedstawiamy szczegółowy protokół wideo opisujący sekwencyjne wiązanie i elucję przeciwciał fluorescencyjnych do multipleksowanego obrazowania dSTORM (madSTORM) o ograniczonej wielkości przeciwciał (madSTORM) oraz zastosowanie fluorescencyjnych nanodiamentów w celu uzyskania precyzyjnej korekcji dryfu i wyrównania.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Uwaga: Proszę zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS) przed użyciem. Kilka substancji chemicznych użytych w tym protokole jest toksycznych i rakotwórczych. Podczas wykonywania protokołu należy stosować wszystkie odpowiednie praktyki bezpieczeństwa, w tym stosowanie kontroli technicznych (wyciąg, komora podręczna) i środków ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, spodnie na całej długości, buty z zakrytymi palcami).
1. Multipleksowane obrazowanie aktywowanych limfocytów T
2. Korekcja dryfu i wyrównanie multipleksowanych stosów obrazów
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Metodę sekwencyjnego eluowania i barwienia zastosowano do uzyskania obrazu madSTORM z multipleksowaniem mikroklastrów i innych struktur w aktywowanej limfocycie T linii Jurkat (Rysunek 1, sprawdź wyrównanie rysunków). Każdy obraz w pseudo-kolorach reprezentuje jedną rundę obrazowania madSTORM przeprowadzoną w krokach od 1.1.1 do 1.3.13. Jak opisano wcześniej10, pole widzenia powinno być monitorowane pod kątem sygnału resztkowego z popr...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Sekwencyjne procedury multipleksowania, korekcji dryfu i wyrównania w madSTORM umożliwiają precyzyjną, wysoce multipleksowaną wizualizację heterogenicznych struktur w komórkach. 10 Ponadto madSTORM pozwala uniknąć ograniczeń wielokolorowych barwników STORM, takich jak aberracja chromatyczna i nieoptymalne właściwości fotoprzełączania/emisji barwników innych niż dalekie czerwone 9,12. Ponieważ etap elucji znacznie zmniejsza interferencję st...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie mamy nic do ujawnienia.
Dziękujemy Xufeng Wu za dostęp do mikroskopu STORM. Badania te były wspierane przez Intramural Research Program Centrum Badań nad Rakiem National Cancer Institute (NCI) oraz National Heart, Lung and Blood Institute (NHLBI).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 8-dołkowa komora nakrywkowa | Lab-tek | 155409 | |
| 0,1% roztwór poli-L-lizyny | Sigma-Aldrich | P8920 | |
| NV-100 nm Fluorescencyjny nano-diament | Adamas | Red FND | |
| anty-CD3 i epsilon; przeciwciało | BD Biosciences | 555329 | |
| Albumina surowicy bydlęcej, frakcja V | KSE Scientific | 98-100P | |
| Triton-X | Sigma-Aldrich | T9284 | |
| 10% Paraformaldehyd | EMS | 15712 | Rakotwórczość |
| Żelatyna ze skóry ryb słodkowodnych | Sigma-Aldrich | G7041 | |
| Alexa 647 | Thermo Fisher | A20186 | |
| Sześciowodny chlorek magnezu | Sigma-Aldrich | 138924 | |
| RURY | Sigma-Aldrich | P6757 | |
| Tween-20 | Fisher Scientific | BP337-500 | |
| 2-merkaptoetanol | Sigma-Aldrich | M7154 | Wysoce toksyczny, wrażliwy na powietrze |
| Cysteamine | Sigma-Aldrich | 30070 | Wysoce toksyczny |
| cyklooktatetraen 98% | Sigma-Aldrich | 138924 | Wysoce toksyczny, wrażliwy na powietrze |
| 10x PBS | KD Medyczny | RGF-3210 | |
| 10x TBS | KD Medyczny | RGF-3385 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.