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Figura 1: Comparação de diferentes técnicas de microscopia 3D, considerando resolução, instrumentação, tempo de aquisição e esforço. O volume máximo viável das técnicas está entre a tomografia crio-TEM, tecnicamente exigente, que oferece resolução molecular, e a microscopia de luz, onde a resolução é limitada pelo limite de difração da luz. Abreviaturas: TEM = microscopia eletrônica de transmissão; STEM = TEM de varredura; MEV = microscopia eletrônica de varredura; FIB = feixe de íons focalizado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
As estruturas e sistemas relacionados ao vírus abrangem uma escala do regime sub-angstrom (por exemplo, pequenas moléculas para viroterapia, proteínas virais isoladas) a vários metros (por exemplo, organismos infectados inteiros). As partículas virais estão na faixa de 20-1.000 nm e são investigadas principalmente em seu contexto biológico, como células hospedeiras e linhagens de células produtoras virais, que estão na faixa de μm. A visualização de estruturas específicas relacionadas ao vírus depende, portanto, da escolha de uma técnica que forneça um campo de visão suficiente e resolução adequada. O estudo de células infectadas por vírus e pedaços de tecido depende de técnicas de microscopia (Figura 1). Embora as imagens gerais de células e tecidos possam ser adquiridas usando microscopia de luz clássica, as estruturas intracelulares envolvidas na replicação do vírus são frequentemente estudadas usando microscopia eletrônica (EM). Embora hoje em dia seja usado principalmente em pesquisa virológica básica, o EM também é usado em diagnósticos 1,2 e também encontrou seu caminho em aplicações biofarmacêuticas3.
Freqüentemente, as abordagens EM 2D, como a microscopia eletrônica de transmissão clássica (TEM), não podem responder suficientemente a uma determinada questão biológica. Em virologia, este é especialmente o caso quando se estuda as interações vírus-célula hospedeira, como ligação e entrada de vírion, formação de fábricas virais ou morfogênese de vírion 4,5,6,7,8,9. Portanto, a tomografia EM é usada para analisar a ultraestrutura 3D de amostras biológicas. Em princípio, existem duas maneiras de adquirir um tomograma de uma determinada amostra: 1) imagem passo a passo de fatias seriais que são posteriormente combinadas em uma pilha de imagens 3D, ou 2) aquisição de projeções de diferentes ângulos de visão da amostra seguida de reconstrução computacional das informações em uma pilha de imagens virtuais.
As técnicas do primeiro tipo incluem imagens de seções seriadas por MET ou SEM (tomografia de matriz SEM), SEM de face de bloco serial e tomografia de feixe de íons focalizado (FIB)-SEM. As imagens SEM e TEM de seções seriais não têm a resolução em z, que é limitada pela espessura da seção, mas fornece um grande campo de visão e depende de equipamentos que estão prontamente disponíveis na maioria dos laboratórios EM4. A tomografia FIB-SEM pode produzir resolução isotrópica, mas os custos de dispositivo e manutenção podem ser desafiadores, e a imagem de células inteiras em resolução isotrópica é demorada 9,10.
O segundo tipo de tomografia depende exclusivamente da transmissão do feixe de elétrons através de uma amostra. Isso pode ser feito usando duas modalidades de imagem diferentes: TEM ou microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM). Embora a tomografia TEM seja mais difundida e mais fácil de implementar, a espessura da seção é limitada a ~ 200 nm. Portanto, estruturas maiores que a espessura da seção, como mitocôndrias, vesículas ou vírions, não podem ser visualizadas em um único tomograma. A tomografia STEM oferece a possibilidade de obter imagens de amostras de até 1 μm de espessura11,12. No entanto, requer um STEM com alta tensão de aceleração (≥200 kV) e uma configuração que suporte altos ângulos de inclinação, bem como um pequeno ângulo de semiconvergência13. Embora a imagem STEM seja uma técnica comum na ciência dos materiais, ela continua sendo uma técnica rara em laboratórios de EM biológicos.
Aqui, apresentamos uma abordagem orientada para a aplicação para usar a tomografia STEM para espécimes virológicos. Devido à alta complexidade e à natureza trabalhosa da tomografia EM, a preparação de amostras de alta qualidade é crucial. Embora a TEM criogênica (tomografia) seja, sem dúvida, o padrão-ouro para investigações em nível molecular, a imagem em temperatura ambiente de células congeladas e substituídas por congelamento de alta pressão fornece uma preservação sólida e clareza da ultraestrutura celular 7,14. Resumidamente, as células aderentes são cultivadas em um disco de safira e infectadas ou tratadas conforme desejado. As células são então imobilizadas congelando-as sob alta pressão a taxas de resfriamento muito altas, resultando na vitrificação da água em seu interior. Posteriormente, a água é substituída por um solvente enquanto as amostras são contrastadas e lentamente trazidas de volta à temperatura ambiente. As amostras são então gradualmente incorporadas em resina.
Existem muitos protocolos para congelamento de alta pressão e substituição por congelamento, que diferem no maquinário, sistema de transporte e composição da amostra. Protocolos detalhados para congelamento de alta pressão foram publicados, incluindo um de Walther et al.15 e um protocolo de vídeo de Steyer et al.16, que se concentra na preparação de tecidos para FIB-SEM usando aprimoramento de contraste assistido por micro-ondas. Para pesquisa virológica, Read et al.17 e Romero-Brey18 publicaram protocolos detalhados para a preparação de células infectadas por vírus por congelamento de alta pressão com discos de safira e posterior análise por tomografia eletrônica. A secção ultrafina também foi descrita anteriormente15,17. Consulte a literatura citada para obter mais detalhes sobre essas abordagens.
Aqui, apresentamos um fluxo de trabalho que é uma versão adaptada e atualizada dos protocolos publicados anteriormente 15,17 emparelhados pela primeira vez com um guia de vídeo detalhado. O protocolo fornece um fluxo de trabalho para preparação de amostras usando congelamento de alta pressão, substituição por congelamento e incorporação em resina epóxi. Seções de 800 nm a 1.000 nm de espessura são cortadas usando um ultramicrótomo. Uma série de inclinação é adquirida com um STEM de 200 kV, usando as ferramentas EM do software. Este protocolo é otimizado para células aderentes e fornece um fluxo de trabalho abrangente, permitindo modificações para outros tipos de amostras, como células de tecido ou suspensão. Para tomografia STEM em condições criogênicas, consulte o trabalho do grupo de Michael Elbaum19,20.