$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Opisujemy metody przygotowania tkanki mózgowej nowonarodzonego szczura w celu uzyskania wysokiej jakości mikrofotografii elektronowych do dogłębnej analizy morfometrycznej przestrzennego rozmieszczenia pęcherzyków synaptycznych na zakończeniach nerwowych1,2. Mikrografie o wysokim kontraście, które można uzyskać, przetwarzając próbki zgodnie z tymi metodami, mogą być również wykorzystane do badania szczegółowej morfologii wielu składników komórkowych i ich wymiarowych relacji strukturalnych3,4.
Transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM) jest potężnym narzędziem do ilościowego badania morfologii organelli i innych struktur komórkowych. Od tej dekady nie ma innych metod badawczych, które mogłyby zapewnić taki sam stopień rozdzielczości błon lipidowych i organelli bez znakowania immunologicznego, z wyjątkiem kriofiksacji przez zamrażanie pod wysokim ciśnieniem. Jednak techniki substytucji przez zamrożenie nie są powszechnie stosowane i zwykle wymagają drogiego sprzętu i długiego czasu przygotowania.
Aby skorzystać z wysokiej zdolności rozdzielczej TEM, optymalne przygotowanie próbki jest niezwykle ważne. Głównymi celami przygotowania próbki są zachowanie struktury tkanki przy minimalnych zmianach w stosunku do stanu żywego, zwiększenie kontrastu próbki oraz stabilizacja tkanki przed ekstrakcją składników komórkowych podczas przetwarzania i ekspozycji na wiązkę elektronów. Na przestrzeni lat kilka laboratoriów wprowadziło i udoskonaliło liczne protokoły przygotowania tkanek TEM. Wielu z nich skupiło się na metodach optymalnej wizualizacji pęcherzyków synaptycznych5,6,7,8,9,10,11. Spośród wielu dobrze znanych, złotych standardów, które są obecnie stosowanymi, wybraliśmy procedury utrwalania chemicznego, po utrwaleniu, barwienia en bloc, sekwencyjnego odwadniania, zatapiania żywicy i barwienia końcowego, które mają na celu zachowanie optymalnej struktury tkanki i osiągnięcie doskonałego kontrastu obrazu. Warto zauważyć, że zachowanie drobnej ultrastruktury może być szczególnie trudne podczas pracy z tkanką mózgową nowonarodzonego szczura. W rzeczywistości ośrodkowy układ nerwowy bardzo młodych zwierząt charakteryzuje się wyższą zawartością wody niż mózg dorosłego, wyraźniejszym powiększeniem przestrzeni zewnątrzkomórkowych i luźniejszymi połączeniami między komórkami12. To sprawia, że tkanka mózgowa nowonarodzonego szczura jest głęboko wrażliwa na zmiany w osmolarności i wyjątkowo podatna na sztuczne kurczenie się i/lub pęcznienie podczas przetwarzania za pomocą sekwencyjnych roztworów o różnej toniczności12. W związku z tym w naszych metodach wykorzystano rozwiązania do przetwarzania próbek, których osmolarność jest jak najbardziej zbliżona do mózgu nowonarodzonego szczura. Naszym celem było uzyskanie wysokiej jakości obrazów z mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości do ilościowej oceny przestrzennego rozmieszczenia pęcherzyków synaptycznych na zakończeniach nerwowych. W szczególności staraliśmy się zmierzyć liczbę pęcherzyków w zakończeniu nerwowym, odległość pęcherzyków synaptycznych od presynaptycznej błony plazmatycznej, liczbę pęcherzyków zadokowanych na błonie presynaptycznej, rozmiar pęcherzyków synaptycznych i odległości między pęcherzykami1.
Zadowalające utrwalenie chemiczne jest warunkiem koniecznym do uzyskania wysokiej jakości mikrofotografii elektronowych, które mogą dostarczyć szczegółów morfologicznych niezbędnych do badania morfologii pęcherzyków synaptycznych i organizacji przestrzennej. Chociaż istnieje kilka sposobów utrwalania, utrwalanie tkanki mózgowej przez perfuzję naczyniową jest zdecydowanie lepsze od innych metod. Ponieważ utrwalenie poprzez perfuzję naczyniową rozpoczyna się natychmiast po zatrzymaniu krążenia ogólnoustrojowego, skraca to odstęp między odtlenieniem tkanki mózgowej a sieciowaniem białek z utrwalaczami, co skutkuje minimalnymi zmianami w strukturze komórki. Ponadto osiąga szybką i równomierną penetrację, dzięki szybkiemu przepływowi utrwalacza z łożyska naczyniowego do przedziałów zewnątrzkomórkowych i komórkowych12,13,14. Pierwotne utrwalenie aldehydem glutarowym, a następnie wtórne utrwalenie (po utrwaleniu) tetratlenkiem osmu, zapewnia doskonałe zachowanie drobnej struktury15,16,17. Mieszanina aldehydu glutarowego i paraformaldehydu ma dodatkową zaletę w postaci szybszej penetracji do tkanki12.
Ponieważ tkanki biologiczne nie są wystarczająco sztywne, aby można je było ciąć na cienkie odcinki bez wsparcia matrycy żywicznej, muszą one zostać osadzone w podłożu przed cienkim cięciem. Niemieszające się z wodą żywice epoksydowe są powszechnie stosowane jako medium do zatapiania w TEM. W przypadku stosowania tego typu matrycy, cała wolna woda w próbce musi zostać zastąpiona rozpuszczalnikiem organicznym przed infiltracją żywicy. Woda jest usuwana przez przepuszczenie próbki przez serię roztworów o rosnących stężeniach etanolu i/lub acetonu12. W tym protokole próbki są najpierw płasko osadzane między elastycznymi arkuszami aklaracji, a następnie umieszczane w kapsułce. Efektem końcowym jest tkanka znajdująca się na końcu cylindrycznego bloku żywicy, która ma idealną geometrię, aby w jak najmniejszym stopniu ulegała drganiom powstającym podczas cięcia mikrotomem.
Barwienie metalami ciężkimi w celu zwiększenia kontrastu tkanek endogennych to kolejny ważny aspekt przygotowania próbki. Kontrast obrazu w TEM jest spowodowany rozpraszaniem elektronów przez atomy w tkance. Jednak materiały biologiczne składają się w dużej mierze z cząsteczek o niskiej masie atomowej (tj. węgla, wodoru, tlenu i azotu). Dlatego wytworzenie wystarczającego kontrastu rozpraszającego wymaga włączenia atomów o dużej masie atomowej do składników komórkowych tkanki. Osiąga się to poprzez barwienie próbki metalami ciężkimi12,18,19. Tetratlenek osmu, uran i ołów, które silnie wiążą się z lipidami, są najczęstszymi metalami ciężkimi stosowanymi jako barwienie elektronów.
Osm (liczba atomowa 76) jest jednym z najgęstszych istniejących metali. Jest to zarówno utrwalacz, jak i plama, chociaż jego podstawową rolą w TEM jest bycie niezawodnym utrwalaczem12. Spośród różnych stosowanych protokołów utrwalania, metoda podwójnego utrwalania aldehydem glutarowym, a następnie osmem jest najbardziej skuteczna w zmniejszaniu ekstrakcji składników komórkowych podczas przygotowywania próbki. Te dwa utrwalacze są używane do stabilizacji maksymalnej liczby różnych typów cząsteczek, zwłaszcza białek i lipidów, i zapewniają doskonałe zachowanie ultrastruktury tkanki12,14,15,16,17.
Uran (liczba atomowa 92) jest najcięższym metalem używanym jako barwnik elektronowy, najczęściej w postaci octanu uranylu. Podobnie jak osm, działa jako barwnik i utrwalacz, chociaż jego główną rolą w TEM jest plama20,21. Struktury błoniaste zawierające kwasy nukleinowe są silnie i preferencyjnie barwione solami uranylowymi w tkankach utrwalonych aldehydami22,23. Traktowanie tkanek octanem uranylu po osmikacji, a przed odwodnieniem, powoduje stabilizację struktur błoniastych i zawierających kwasy nukleinowe, a także zwiększony kontrast i pozwala na identyfikację niektórych szczegółów strukturalnych, które nie byłyby łatwe do wykrycia w próbkach barwionych samym osmem12,24,25. Uważa się, że octan uranylu może stabilizować delikatną strukturę poprzez połączenie ze zredukowanym osmem, który został osadzony na błonach lipidowych podczas osmikacji24. Maksymalny kontrast uzyskuje się, gdy octan uranylu jest nakładany przed zatopieniem i jako post-stainin w cienkich sekcjach12.
Ołów (liczba atomowa 82) jest najczęściej używanym barwnikiem do TEM i jest głównie używany do barwienia cienkich odcinków. Sole ołowiu mają wysoką nieprzezroczystość elektronów i wykazują powinowactwo do szerokiego zakresu struktur komórkowych, w tym błon, białek jądrowych i cytoplazmatycznych, kwasów nukleinowych i glikogenu26,27. Gdy stosowana jest metoda podwójnego barwienia (tj. po barwieniu octanem uranylu następuje obróbka ołowiem), ten ostatni działa jako twórca barwienia octanem uranylu. Na przykład, barwienie chromatyny ołowiem utrwalonym aldehydem glutarowym zwiększa trzykrotnie wychwyt octanu uranylu28,29,30,31,32. Ołów wzmacnia również zabarwienie nadawane przez inne metale, takie jak osm. Uważa się, że sole ołowiu zabarwiają błony tkanek utrwalonych przez osm, przyłączając się do polarnej grupy fosfatydów w obecności zredukowanego osmu33. Potencjalną wadą barwienia zarówno octanem uranylu, jak i ołowiem, szczególnie przez dłuższy czas, jest to, że wiele różnych elementów strukturalnych jest barwionych jednakowo i niespecyficznie, a zatem nie można ich łatwo odróżnić od siebie12.
Niedawne wprowadzenie alternatywnych źródeł światła, takich jak w optycznej mikroskopii lokalizacyjnej aktywowanej fotowoltą, znacznie poprawiło rozdzielczość mikroskopii świetlnej34. Ponieważ jednak mikroskopia świetlna opiera się na metodach histochemicznych i immunocytochemicznych do wizualizacji indywidualnie znakowanych białek lub enzymów, moc TEM do wyświetlania wszystkich elementów strukturalnych jednocześnie pozostaje niezrównana w dogłębnych badaniach morfologii i relacji wymiarowych struktur tkankowych. W szczególności żadna inna technika nie może dostarczyć szczegółów morfologicznych niezbędnych do przeprowadzenia analizy morfometrycznej rozmieszczenia pęcherzyków synaptycznych w napadach nerwów presynaptycznych. Niemniej jednak ważne jest, aby pamiętać, że mikrofotografie elektronowe rejestrują strukturę tkanki po śmierci organizmu, a zatem nie mogą dostarczyć informacji na temat dynamiki transportu pęcherzyków presynaptycznych i egzocytozy. W związku z tym należy rozważyć inne narzędzia, takie jak obrazowanie na żywo barwnikiem FM i elektrofizjologia klamry, gdy głównym celem jest badanie dynamicznych i/lub funkcjonalnych aspektów transportu pęcherzyków synaptycznych i egzocytozy.