Este protocolo é um guia para a implementação de microscopia de reflexão de interferência em um microscópio de fluorescência padrão para imagens sem rótulo, de alto contraste e alta velocidade de microtúbulos usando ensaios de superfícies in vitro.
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Este protocolo é um guia para a implementação de microscopia de reflexão de interferência em um microscópio de fluorescência padrão para imagens sem rótulo, de alto contraste e alta velocidade de microtúbulos usando ensaios de superfícies in vitro.
Existem vários métodos para visualizar biomoléculas purificadas perto de superfícies. A microscopia total-interna da fluorescência da reflexão (TIRF) é um método geralmente usado, mas tem a desvantagem que exige a rotulagem fluorescente, que pode interferir com a atividade das moléculas. Além disso, photobranqueamento e photodamage são preocupações. No caso dos microtúbulos, verificou-se que imagens de qualidade semelhante ao TIRF podem ser obtidas por microscopia de reflexão de interferência (IRM). Isto sugere que o IRM pode ser uma técnica geral para visualizar a dinâmica de grandes biomoléculas e oligômeros in vitro. Neste artigo, mostramos como um microscópio de fluorescência pode ser modificado simplesmente para obter imagens de IRM. O IRM é mais fácil e consideravelmente mais barato de implementar do que outras técnicas de contraste, como microscopia de contraste de interferência diferencial ou microscopia de espalhamento interferométrico. É igualmente menos suscetível aos defeitos de superfície e às impurezas da solução do que a microscopia do Darkfield. Usando o IRM, juntamente com o software de análise de imagem descrito neste documento, o campo de visão e a taxa de quadros são limitados apenas pela câmera; com uma câmera de sCMOS e o comprimento do microtubule da iluminação do largo-campo pode ser medido com precisão até 20 nanômetro com uma largura de faixa de 10 hertz.
A imagem latente Label-Free dos microtúbulos é do interesse porque contorna a necessidade para a rotulagem fluorescente do tubulina para gerar o contraste nas imagens. A rotulagem fluorescente tem diversos inconvenientes: não praticável se a concentração da proteína é baixa1 e photobranqueamento e photodamage limitam o tempo da observação. Várias técnicas têm sido utilizadas para a imagem de microtúbulos sem rótulo, incluindo a microscopia de contraste de interferência diferencial com vídeo-Enhanced (DIC) e a microscopia Darkfield2,3,4,5. Recentemente, a microscopia de espalhamento interferométrico (iSCAT)6, a microscopia rotatória-coerente-espalhamento (ROCs)7 e a microscopia de interferência de luz espacial (Slim)8, também foram utilizadas. Todas estas técnicas são capazes de microtúbulos da imagem latente e provaram ser valiosas para estudar a dinâmica do microtubule. No entanto, cada um tem suas próprias limitações. No DIC o contraste depende do ângulo entre o microtúter e o eixo de prisma de Nomarski. No campo escuro, o sinal de microtúse é degradado pela luz dispersa de impurezas ou defeitos de superfícies. Embora iSCAT exibe sensibilidade extraordinária (até proteínas únicas) e ROCS pode imagem microtúbulos mais profundos na amostra, ambos os métodos são tecnicamente exigentes, exigindo scanners a laser.
Este protocolo demonstra como a microscopia da reflexão da interferência (IRM)9,10 pode ser ajustada acima como uma técnica alternativa para a imagem latente Label-Free dos microtubules. O IRM é fácil de implementar, pois requer apenas a adição de um espelho 50/50 barato a um microscópio fluorescente padrão. Quando usado em conjunto com o software descrito aqui, o IRM produz imagens de microtubule de alto contraste, pode imagem grandes campos de visão em alta velocidade, requer um alinhamento OneTime, e pode ser facilmente combinada com outras técnicas, como a imagem latente de fluorescência.
1. modificação do microscópio e lente objetiva
2. preparação da câmara para aderir aos microtúbulos à superfície
3. alinhamento do microscópio
4. microtúbulos estabilizados por imagem ou partículas de ouro de 40 nm
Nota: microtúbulos estabilizados e nanopartículas de ouro servem como boas amostras de controle. Recomenda-se a superfície da imagem anexado microtúbulos ou nanopartículas de ouro como um primeiro passo para avaliar o desempenho do IRM e ajudar na definição da abertura de diafragma de abertura ideal (seção 7).
5. dinâmica do microtúe de imagem
6. processamento e análise de imagens
Nota: para análise, este protocolo usa Fiji14 mas o leitor é livre para usar qualquer software que ela/ele encontrar adequado.
7. tamanho do diafragma da abertura
Nota: um fator importante para a aquisição de imagens de alto contraste de microtúbulos usando IRM é definir a abertura numérica de iluminação (INA) corretamente10,15. O INA pode ser mudado mudando o tamanho do feixe de iluminação entrante na pupila da saída do objetivo que é controlada pelo tamanho do anúncio (o anúncio está localizado em um plano conjugado com a pupila de saída (plano focal traseiro) do objetivo , Figura 1):
onde dad é o diâmetro do diafragma de abertura, fobjetivo é o comprimento focal do objetivo e DEP é o diâmetro da pupila de saída do objetivo. Tipicamente, o anúncio é deixado inteiramente aberto para a imagem latente da fluorescência, assim que o INA iguala o objetivo ' s na. Em um microscópio de fluorescência, a escala AD não indica seu diâmetro, portanto, a INA não pode ser calculada. É possível calibrar o tamanho do anúncio com a ajuda de um objetivo. No entanto, não é necessário uma vez que o tamanho do AD seria corrigido para o tamanho que produz o maior contraste.
Como mencionado acima, com um microscópio bem alinhado, os microtúbulos devem ser visíveis sem subtração de fundo (figura 4a). Subtrair o fundo (Figura 4B) aumenta o contraste do microtúlo (Figura 4C). Para aumentar ainda mais o contraste, a média ou a filtragem de Fourier ou uma combinação de ambos podem ser usados (Figura 4D, F, E). A linha digitaliza na Figura 4G mostra a melhoria incremental da qualidade da imagem. Observe a redução do ruído de fundo com cada etapa de processamento.
Os exemplos de kymographs da dinâmica do microtubule gerados dos filmes do lapso de tempo são mostrados em Figura 5. Os vídeos foram adquiridos em duas taxas de quadros: 0,2 fps (lento) e 100 fps (rápido). O primeiro é apropriado para medir taxas de crescimento quando o último for mais apropriado para medir a taxa do encolhimento que é uma ordem de magnitude mais rapidamente do que a taxa de crescimento.
Para o caso em que as nanopartículas de ouro são usadas para configurar o microscópio, uma imagem de exemplo é mostrada na Figura 6. As nanopartículas de ouro foram ligadas passivamente à superfície. Enquanto 40 nm partículas são recomendadas, também é possível a imagem de 20 nm partículas, mas em um menor contraste.

Figura 1. Representação esquemática do IRM. (A) EPI-a iluminação da fonte luminosa passa através do diafragma da abertura antes de alcangar o espelho 50/50. O diafragma da abertura ajusta a largura do feixe assim a iluminação NA. O espelho 50/50 reflete parcialmente a luz até o objetivo de iluminar a amostra. A luz refletida da amostra é coletada e projetada então na microplaqueta da câmera (pela lente do tubo) onde interfere para gerar a imagem. O contraste da imagem é o resultado da interferência entre a luz refletida da interface vidro/água (I1) e a luz refletida da interface água/microtúter (I2). Dependendo da distância do microtúter/superfície (h), a diferença de caminho óptico entre i1 e i2 resultará em um sinal construtivo (brilhante) ou destrutivo (sinal escuro) ou qualquer coisa no meio. Por exemplo, se a luz com um comprimento de onda de 600 nm é usada para a imagem latente, o contraste comutará entre escuro e brilhante quando a altura do microtubule muda por aproximadamente 100 nanômetro. O asterisco indica os planos conjugadas (modificados a partir de15). (B) exemplo da instalação do espelho 50/50. Um cubo apropriado do filtro foi aberto e o espelho foi introduzido onde um espelho dichroic se senta geralmente. O espelho foi orientado como por instruções do fabricante. Em seguida, o cubo foi inserido na roda de filtro que foi inserido de volta para o microscópio (não mostrado). Durante a instalação, as luvas foram usadas, e o espelho foi prendido somente pelas bordas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Ajuste ideal do diafragma da abertura. (A) o mesmo campo de visão foi imaged em aberturas diferentes do diafragma da abertura sem subtração do fundo. Visualmente, o contraste aumentou à medida que o tamanho do diafragma de abertura aumentou até chegar a um planalto e começou a degradar depois. Isto foi confirmado por (B) medidas de SBR de imagens subtraída fundo. As barras de erro são desvio padrão. As barras de escala são 500 μm (AD) e 3 μm (microtúbulos). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Medindo a relação de ruído do sinal-à-fundo. Os microtúbulos foram isolados em regiões de interesse. Cada região de interesse foi limitados para separar o microtubule do fundo. O sinal médio do microtubule foi obtido de uma varredura da linha através do microtubule. A largura da linha de digitalização foi definida para igualar o comprimento do microtúter. Desta forma, cada ponto na digitalização é uma média dos sinais de todos os pixels ao longo do eixo do microtubule que são paralelos a esse ponto. O ruído de fundo é o desvio padrão de todos os pixels abaixo do limiar cortado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Processamento de imagem. Após a aquisição de imagens cruas (a), o fundo (B) foi subtraído (C) para aumentar o contraste do microtúlilo. Para melhorar ainda mais o contraste as imagens foram médias (D) ou Fourier filtrada (E) ou ambos (F). As varreduras de linha (G), cuja localização é indicada pela linha vermelha tracejada em (a) são cor correspondente às várias imagens em (a) a (F). Os números no canto inferior são SBRs médios medidos para todo o campo de visão. A barra de escala é de 5 μm (modificada a partir de15). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. Exemplos de kymographs. (A) exemplos do kymograph da dinâmica do microtubule gerada dos filmes do lapso de tempo adquiridos em 0,2 fps. (B) kymograph representando um exemplo de um evento de encolhimento gerado a partir de um filme adquirido em 100 fps. Linhas tracejadas marcam as sementes. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6. Exemplo de nanopartículas de ouro imaged com IRM. As nanopartículas de ouro dos tamanhos 20 e 40 nm foram ligadas passivamente à superfície. foram adquiridas 10 imagens. Após a subtração do fundo, as imagens foram médias para realçar o contraste. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7. Comprimento de microtubule rastreamento de precisão em imagens IRM. Microtúbulos estabilizados (ou seja, comprimentos fixos) foram imaged 200x em 100 fps, em seguida, a média de 10 fps para aumentar o contraste. Em seguida, os comprimentos dos microtúbulos foram medidos usando o software de rastreamento do Fiesta17 . Para cada microtúter, calculou-se o comprimento médio e o desvio padrão, conforme mostrado na figura (linha tracejada representa a média e linhas vermelhas sólidas representa o desvio padrão, comprimento = 3971 ± 20 nm. A precisão geral de rastreamento foi a média do desvio padrão de todos os microtúbulos rastreados (n = 6 microtúbulos x 20 pontos de dados = 120 pontos de dados). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Arquivo complementar 1. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo complementar 2. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.
Este protocolo demonstrou o uso bem sucedido do IRM para a imagem latente e a medida da dinâmica do microtubule. O cuidado deve ser dado para ajustar corretamente a abertura numérica da iluminação porque tem o impacto o mais forte no contraste da imagem. Além disso, o uso de objetivos de alta abertura numérica (NA) é importante para obter imagens de alta resolução/alto contraste, pois um objetivo maior de NA tem maior poder de coleta de luz em comparação aos objetivos de baixa NA. O limpador a superfície e as soluções usaram o mais baixo o ruído como a sujeira termina acima a fixação à superfície e a adição (sobre o curso do experimento) speckle como o ruído às imagens. A aquisição de uma imagem de fundo é importante, bem como remove inhomogenidades de iluminação, ruído estático e irregularidades superficiais.
Uma modificação recomendada é introduzir um filtro longo da passagem (> 600 nanômetro) no trajeto da iluminação. O espectro de fontes de luz branca tipicamente contém comprimentos de onda no UV que pode danificar os microtúbulos. Além disso, o uso de comprimento de onda longo para IRM é útil ao combinar o IRM com fluorescência (por exemplo, ao estudar o efeito de proteínas associadas ao microtúse (MAPs) na dinâmica do microtúse). Esteja ciente de que, quando a imagem para o período de tempo gasto, a deriva da amostra (especialmente ao longo do eixo óptico) diminui o contraste da imagem devido ao desvio do plano de imagem do plano de fundo. Os microscópios modernos são equipados frequentemente com os mecanismos da estabilização (por exemplo, foco perfeito (Nikon), Focus. 2 definitivo (Zeiss), IX3-ZDC2 (Olympus)). Uma solução alternativa é estabilizar termicamente a instalação passivamente ou ativamente18 ou corrigindo para Drift19,20,21. Finalmente, o contraste do microtubule pode ser aumentado reduzindo o tamanho do diafragma do campo (uma abertura de 70% é boa escolha porque é um contrapeso entre o contraste crescente e o tamanho do campo de vista)15.
Enquanto o IRM é adequado para microtúbulos de imagem não é sensível o suficiente para detectar proteínas únicas. Para tal aplicação, iSCAT é uma técnica mais adequada. Similarmente, a fluorescência e o iSCAT são seridos melhor se a precisão de seguimento de menos de 10 nanômetro é precisada. Para IRM, a precisão de rastreamento de comprimento medido é ~ 20 nm, como mostrado na Figura 7.
O uso de IRM em ensaios de superfície pode ir além dos microtúbulos; por exemplo, os motores moleculares podem ser rotulados com nanopartículas de ouro e controlados como eles interagem com microtúbulos. Além disso, uma forma mais avançada de IRM conhecida como microscopia de contraste de interferência reflexiva (RICM)22 pode, em princípio, ser usada para aprimorar ainda mais o contraste dos microtúbulos e obter maior precisão de rastreamento.
Os autores não têm conflitos de interesse para divulgar.
Os autores agradecem a Anna Luchniak e Yin-Wei kuo pela leitura crítica e comentários sobre o protocolo.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Microscópio | Nikon | Ti-Eclipse | Um microscópio invertido usado para realizar as extensões |
| Divisor de feixe 50/50 | Chroma | 21000 | Ao comprar, certifique-se de escolher as dimensões do divisor que se encaixam no cubo usado no microscópio |
| NIKON PLAN FLUOR 100X/0.5-1.3 Objetiva de íris | Nikon | MRH02902 | Objetiva de imagem. Esta objetiva tem uma íris de ajuste NA que foi aberta para NA 1.3 |
| Detergente universal Mucasol | Sigma-aAldrich | Z637181-2L | Usado para limpar lamínulas e lâminas |
| filme plástico de parafina (nome comercial Parafilm M) | Sigma-aAldrich | P7793 | Usado para construir canais de fluxo |
| Anticorpo anti-TAMRA | Invitrogen | A-6397 | Usado para ligar moléculas marcadas com TAMRA (por exemplo, microtúbulos) à superfície da amostra. RRID (AB_2536196) |
| Poloxamer 407 (nome comercial Pluronic F-127) | Sigma-aAldrich | Usado para bloquear a superfície do canal para evitar a ligação inespecífica | |
| nanopartículas de ouro de 40 nm | Sigma-aAldrich | 753637 | Usado como amostra de controle |
| Nanopartículas de ouro de 20 nm | Sigma-aAldrich | 753610 | Usado como amostra de controle |
| Zyla 4.2 Camera | Andor | Zyla 4.2 | 2048x2048 pixles (6,5µ m tamanho de pixel) com eficiência quântica de 72% e faixa dinâmica de 16 bits |
| Software de rastreamento | https://www.bcube-dresden.de/fiesta/wiki/FIESTA | ||
| Microtubles | preparados internamente (ver referências no texto) |
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