Эта статья описывает применение cryoanalytical электронной микроскопии для количественного определения общего содержания кальция и распространения на субклеточном резолюции в физиологически определенных биологических образцов.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Эта статья описывает применение cryoanalytical электронной микроскопии для количественного определения общего содержания кальция и распространения на субклеточном резолюции в физиологически определенных биологических образцов.
В этой статье инструменты, методы и инструменты, подходящие для количественных измерений внутриклеточного содержания элементов с помощью метода, известного как электронно-зондового микроанализа (EPMA) описаны. Внутримитохондриальной кальция является особое внимание в связи с важной ролью, что митохондриальная перегрузки кальция играет в нейродегенеративных заболеваний. Метод основан на анализе рентгеновских лучей, генерируемого с помощью электронного микроскопа (ЭМ) при взаимодействии электронного пучка с образцом. В целях сохранения нативного распределение диффундирующих элементов в микроскопии образцов электрона, EPMA требует "cryofixation" из ткани с последующим подготовки ультратонких криосрезов. Быстрое замораживание культивируемых клеток или органотипических культур срез осуществляется путем погружения замораживания в жидком этана или шлема замораживания против холодного металлического блока, соответственно. Криосрезы номинально 80 нм обрезаются сухие с алмазным ножом на ок. -16076, С, установленный на углерод / pioloform покрытием медных сетей, и cryotransferred в крио-ЭМ, используя специализированный держатель cryospecimen. После визуального осмотра и отображения местоположения на ≤ -160 ° С и низкой дозы электронов, замороженные гидратированных криосрезы лиофилизируют при -100 ° С в течение ~ 30 мин. Изображения на уровне органелл высушенных криосрезов записаны, также в низкой дозе, с помощью ПЗС-камеры медленного сканирования и субклеточных регионах, представляющих интерес, выбранной для анализа. Рентгеновские лучи, испускаемые трансформирования стационарным, целенаправленной, высокой интенсивности электронного зонда собирают энергии-рентгеновской (EDX) спектрометра, обрабатывается, связанных электроники, и представлены в качестве рентгеновском спектре, то есть, Сюжет интенсивности рентгеновского излучения по сравнению энергии. Дополнительное ПО облегчает: 1) идентификацию элементарных компонентов по их "характерных" пиковых энергий и отпечатков пальцев, и 2) количественный анализ по добыче пиков / фон. Эта статья завершается двумя примерами, которые иллюстрируют типичныйПриложений EPMA, в котором митохондриальный анализ кальций обеспечивает необходимую понимание механизмов эксайтотоксичного травмы и другой, которые показали основе устойчивости к ишемии.
Ионы кальция, возможно, наиболее важным и универсальным лицо клеточной сигнализации в биологии, играя важную роль в нормальных процессов как разнообразны, как и синаптической передачи и экспрессии генов. С другой стороны, кальций не менее важно в гибели клеток. В частности, дерегулирование кальция является ключевым фактором в нейронной травмы при инсульте, болезни Паркинсона, болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний 3,5. Таким образом, крайне важно, чтобы количественно понять, как кальций распределяется в клетках, и как это меняет следующие физиологических или патофизиологических раздражители. Эта цель осложняется тем, что кальций динамически распределяется между двумя физическими состояниями - бесплатно в растворе или связанного с подложкой - и что концентрации сотовой кальция меняться с течением несколько порядков, как следствие стимуляции.
Хотя Есть несколько передовых методологий, имеющихся для анализа фри ее внутриклеточный кальций, определение общей концентрации кальция в определенных внутриклеточных отсеков реально ограничивается одним подхода, а именно, зондовый микроанализ электронов (EPMA). EPMA является метод, который пары рентгеновский спектрометр для просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). ТЕМ электронная пушка фокусируется стационарный, субмикронного электронный зонд на субклеточном интересующей области и элементов конкретных рентгеновского излучения в результате электронной бомбардировки собираются и анализируются (см. ссылки 7, 4 для подробных технических обзоров). Преимущества EPMA включают одной резолюции органелл уровня и submillimolar чувствительность. На практике, однако, EPMA требует специализированных cryotechniques и аппаратуры для подготовки и анализа образцов. Здесь инструменты, методы и инструменты, подходящие для измерения внутриклеточного кальция с использованием ЭЗМА описаны. Внутримитохондриальной кальция представляет особый Iпроценты в связи с важной роли, которую играет митохондриальные перегрузки кальция в нейродегенеративных заболеваний.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Описанный здесь подход был разработан с использованием конкретных инструментов, инструментов и программного обеспечения. Потому что лаборатории не будет использоваться та же экспериментальная установка подход обобщается, где это возможно.
1. Быстрое замораживание
Аналитический метод, который будет описан абсолютно зависит от криогенных подходов для: 1) "cryofixation" клеток или тканей таким образом, чтобы количественно сохраняет распределение компонентов диффундирующих тканей и химических элементов, как они были в живых клетках в момент замораживания и 2) подготовка сверхтонких криосрезы подходит для работы с изображениями и анализа в ПЭМ. Эти методы кратко описаны здесь, но детали, необходимые для воспроизведения этих процедур в других лабораториях выходят за рамки данной статьи. Заинтересованные читатели могут обратиться к превосходным последних статей 9,14.
Внимание: В этом разделе описывается использование жидкого мылаefied этан, который легко воспламеняется и потенциально взрывоопасной; соответствующие меры предосторожности должны быть приняты. Оператор также должен быть знаком с жидким азотом (LN 2) меры безопасности, в том числе защитной халате, в очках, и cryoresistant перчатки. Примечание: Здесь и далее, все инструменты (щипцы и т.д.) используются для обработки замороженные образцы должны быть предварительно охлажденный в LN 2 перед использованием, чтобы избежать случайного размораживания.
Искусственный клетки на покровные
Быстрое замораживание культивируемых срезах мозга
2. Cryosectioning
Предостережение: успешно производит сухие нарезанные ленты ультратонких срезов, а просто и логично, требует подготовки, терпения и значительной практики.
3. Cryotransfer из образцов в электронный микроскоп
Ядро инструментом EPMAВ этой лаборатории представляет собой аналитический электронный микроскоп работает при 120 кВ и оборудованы для cryomicroscopy, то есть, предназначенный чистой вакууме, образец-области anticontaminator, в 2k 2k х высокой чувствительности цифровой камеры и держателем cryotransfer образца. Проверьте заранее выравнивание микроскопа и условия эксплуатации в обоих режимах с низким и большим увеличением и подтвердите удовлетворительное Вакуумная колонна, в идеале ≤ 10 -7 мм рт.ст.. Настройтесь, как это необходимо.
4. Визуальный обзор разделов
5. Лиофилизация разделов
6. Визуализация клеток и органелл
Структурные изображения лиофилизированных секций получены при ок. -160 ° C, а в низких дозах, нулевой потери изображения, записанные в цифровом использовании 2k х 2k с медленной разверткой ПЗС-камеры контролируется соответствующим программным обеспечением.
7. Приобретение Рентгеновские спектры
Рентгеновские спектры могут быть записаны с использованием любого из нескольких коммерческих или специально разработанный рентгеновский анализ системы минимально, состоящие из рентгеновских лучей (EDX) детектора энергии-дисперсионные, связанных импульсно-процессорных электроники и совместимым определение и отображение программного обеспечения. (Система, используемая в этой лаборатории описана в таблице 1.)
8. Анализ рентгеновских спектрах
Качественный анализ
EDX спектр (рис. 2, вставка), по существу, ху график интенсивности рентгеновского против энергии. Спектры содержат качественную и количественную информацию о элементного состава тон проанализировал объем, в том, что «характерной» энергии пика идентифицирует элемент порождая этого пика в то время как интенсивность отражает количество этого элемента. Характерные пики ездить на вершине медленно меняющейся фоне, в «континуума». (Легенда Рисунок 2 далее обсуждает существенные детали спектров EDX.) Энергия пиковых коллекторы для всей периодической таблицы определяются известной электронной структуры элементов, таким образом всех программных EDX ссылки на базы данных, которая автоматически идентифицирует компоненты Аналит. В физиологическом контексте, элементы, представляющие общий интерес, которые хорошо подходят для анализа EDX включают Na (K α на 1,04 кэВ), P (2,01 кэВ), K (3.31 кэВ) и Ca (3,69 кэВ).
Количественный анализ
Количественный анализ спектров EDX заключается в извлечении интегрированную площадь выявленных пиков и преобразования этого значения до концентрации. Для биологического анализа, установлено, подход является метод пик / континуум Hall 4,7,10, который использует тот факт, что интенсивность континуума (определенный выше, и на фиг.2) пропорциональна массе сухого вещества анализируемого объема . Таким образом, отношение площади пика область / континуума, по сравнению с тем же соотношением в спектрах стандартам известного состава, указывает концентрацию в целевой сотовой отсеке. Следует отметить, что этот подход обеспечивает концентраций в единицах молей на весу, обычно выражается в виде ммоль / кг сухого веса. Это устройство является необычным и для интерпретации может потребоваться дополнительное преобразование в, например, ммоль / л сырой вес или ммоль / мг белка, как описано ELsewhere 4,10.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Клетки мозга, как правило, поддерживать эксайтотоксический травмы в результате патологического высвобождения нейромедиаторов, которое происходит при ишемических состояний. EPMA имеет решающее значение для открытия, как способность нейронов митохондрий поглощать огромное количество кальция лежит механизм травмы. Электронно-микроскопический снимок на рисунке 3 иллюстрирует вид митохондрий в лиофилизированных криосрезов культивируемых нейронах гиппокампа быстро замораживают после 30 мин воздействия эксцито...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Электронный микроскоп на основе аналитический метод, представленный здесь позволяет для обнаружения, идентификации и количественного определения нескольких элементов биологический интерес, в том числе Na, K, P, и особенно Са. Эти анализы могут проводиться на субклеточном, т.е. внутри органеллы, разрешение благодаря способности, чтобы найти и определить структуры, представляющие интерес в качественных изображений криосрезов приготовленных из быстро замороженных образцов. Обратите внимание, что не окрашивание не ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы сообщают об отсутствии конфликта интересов.
Мы хотели бы поблагодарить г-жу Кристин А. Уинтерс за отличную техническую помощь. Эта работа была поддержана Basic Neuroscience Программе исследовательской программы NINDS Интрамурального, NIH (Z01 NS002610).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| REAGENTS/MATERIALS | |||
| Thermanox пластиковые покровные стекла | Thermo Fischer Scientific | 72280 | |
| Вкладыши для культуры | BD Falcon | 353090 | Для 6-луночных планшетов |
| Cryopins | Leica Microsystems | 16701952 | |
| Аппликаторы | EM Sciences | 72300 | |
| Складные ЭМ решетки | Ted Pella | 4GC100/100 | 100 меш |
| Индияя фольга | Alfa Aesar | 13982 | 0.25 мм толщина |
| EQUIPMENT | |||
| Plunge морозильное устройство | Leica Microsystems | KF-80 | |
| Slam морозильное устройство | LifeCell | CF-100 | |
| Ultramicrotome | Leica Microsystems | UC6 | |
| Крионасадка для микротома | Leica Microsystems | FC6 | |
| Алмазный криообрезочный инструмент | Диатом | Криотрим 45 | |
| Алмазный крионож | Диатом | Крио 35 | |
| Антистатический прибор | Диатом | Хауф Статическая линия | |
| Криоэлектронный микроскоп | Carl Zeiss Микроскопия | EM912 Омега | |
| ЭМ криодержатель образца | Gatan | CT3500 | |
| ПЗС-камера с медленным сканированием, 2k x 2k | Troendle (TRS) | Sharpeye | |
| Программное обеспечение для получения изображений | Olympus SIS | iTEM suite | |
| ED рентгеновский детектор | Oxford Instruments | Linksystem Импульсный процессор Pentafet | |
| Oxford Instruments | XP-3 | ||
| PCI card | 4pi Systems | Spectral Engine II | |
| Настольный компьютер | Apple | Любая OS9-совместимая модель | |
| Программное обеспечение для анализа рентгеновских лучей | NIST | DTSA, DTSA II | |
| Программное обеспечение для работы с электронными таблицами | Microsoft | Excel | |
| |||
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.