Этот протокол является руководством для реализации микроскопии отражения помех на стандартном флуоресцентном микроскопе для безэтикетки, высококонтрастной, высокоскоростной визуализации микротрубок с использованием анализов поверхностей in vitro.
Method Article
Этот протокол является руководством для реализации микроскопии отражения помех на стандартном флуоресцентном микроскопе для безэтикетки, высококонтрастной, высокоскоростной визуализации микротрубок с использованием анализов поверхностей in vitro.
Существует несколько методов визуализации очищенных биомолекул вблизи поверхностей. Полностью внутреннее отражение флуоресценции (TIRF) микроскопии является широко используемым методом, но имеет недостаток, что он требует флуоресцентной маркировки, которая может помешать деятельности молекул. Кроме того, фотоотбеление и фотоповреждения являются проблемами. В случае микротрубок, мы обнаружили, что изображения аналогичного качества TIRF могут быть получены с помощью микроскопии отражения помех (IRM). Это говорит о том, что IRM может быть общим методом визуализации динамики крупных биомолекул и олигомеров in vitro. В этой работе мы показываем, как флуоресцентный микроскоп может быть модифицирован просто для получения изображений IRM. IRM проще и значительно дешевле в реализации, чем другие методы контраста, такие как дифференциальная интерференция контрастной микроскопии или интерферометрической рассеяния микроскопии. Он также менее восприимчив к поверхностным дефектам и примесям раствора, чем микроскопия темного поля. Использование IRM, вместе с программным обеспечением для анализа изображений, описанным в настоящем документе, поле зрения и частота кадров ограничены только камерой; с помощью камеры sCMOS и широкоугольной длины микротрубока можно измерить с точностью до 20 нм с пропускной способностью 10 Гц.
Без этикетки изображение микротрубок представляет интерес, поскольку она обходит необходимость флуоресцентной маркировки тубулина для создания контраста в изображениях. Флуоресцентная маркировка имеет несколько недостатков: это невозможно, если концентрация белка низкая 1, а фотоотбеление и фотоповреждение ограничивают время наблюдения. Несколько методов были использованы для изображения этикетки без микротрубок, в том числе видео-улучшенный дифференциальной интерференции контрастной микроскопии (DIC) и темного поля микроскопии2,3,4,5. В последнее время также использовались интерферометрическая микроскопия рассеяния (iSCAT)6,вращающаяся когеренно-рассеянная микроскопия (ROCS)7 и пространственная световая микроскопическая микроскопия (SLIM)8. Все эти методы способны к визуализации микротрубок и оказались полезными для изучения динамики микротруб. Тем не менее, каждый из них имеет свои собственные ограничения. В DIC контраст зависит от угла между микротрубоком и осью номарской призмы. В темном поле, сигнал микротрубока деградирует рассеянным светом от примесей или дефектов поверхностей. Хотя iSCAT проявляет чрезвычайную чувствительность (вплоть до отдельных белков) и ROCS может изображение микротрубочек глубже в образец, оба метода являются технически требовательными, требующие лазерных сканеров.
Этот протокол демонстрирует, как микроскопия отражения помех (IRM)9,10 может быть создана в качестве альтернативного метода для без этикетки изображения микротрубок. IRM легко реализовать, поскольку он требует только добавление недорогого зеркала 50/50 к стандартному флуоресцентному микроскопу. При использовании в сочетании с программным обеспечением, описанным здесь, IRM производит высококонтрастные микротрубчатые изображения, может изображения больших полей зрения на высокой скорости, требует однократного выравнивания, и может быть легко объединена с другими методами, такими как флуоресценция изображений.
1. Модификация микроскопа и объективная линза
2. Камерная подготовка к присоединению микротрубочки к поверхности
3. Выравнивание микроскопа
4. Изображение стабилизированных микротрубушек или 40 нм частицы золота
ПРИМЕЧАНИЕ: Стабилизированные микротрубочки и золотые наночастицы служат хорошими контрольными образцами. Рекомендуется изображение поверхности прилагается микротрубочки или золотые наночастицы в качестве первого шага для оценки производительности IRM и помочь в установлении оптимального отверстия диафрагмы диафрагмы (раздел 7).
5. Динамика микротрубок
6. Обработка и анализ изображений
ПРИМЕЧАНИЕ: Для анализа, этот протокол использует Фиджи14, но читатель может свободно использовать любое программное обеспечение, она / он считает целесообразным.
7. Размер диафрагмы диафрагмы апертуры
ПРИМЕЧАНИЕ: Важным фактором для приобретения высококонтрастных изображений микротрубок с помощью IRM является установка освещения численной диафрагмы (INA) правильно10,15. INA может быть измененпутем путем изменения размера входящего луча освещения на выходе ученика цели, который контролируется размером АД (AD находится на конъюгированном самолете с выходом зрачка (задний фокусный самолет) цели , Рисунок 1):
где DAD является диаметр диафрагмы диафрагмы, Fцель фокусного длины цели и Dep является целью выхода ученика диаметра. Как правило, AD остается полностью открытым для флуоресценции изображения, так что INA равна NAцели . В флуоресцентном микроскопе шкала АД не указывает его диаметр, поэтому INA не может быть рассчитана. Можно откалибровать размер AD с помощью цели. Тем не менее, это не является необходимым, так как размер AD будет привязан к размеру, который производит самый высокий контраст.
Как уже упоминалось выше, с хорошо выровнены микроскоп, микротрубочки должны быть видны без фонового вычитания(Рисунок 4A). Вычитание фона(рисунок 4B) усиливает контраст микротрубока (рисунок4C). Для дальнейшего повышения контраста, усреднения или Fourier фильтрации или сочетание обоих могут быть использованы(Рисунок 4D, F, E). Сканирование линии на рисунке 4G показывает постепенное улучшение качества изображения. Обратите внимание на снижение фонового шума с каждым этапом обработки.
Примеры kymographs динамики микротрубочек, генерируемых из фильмов замедленного времени, показаны на рисунке 5. Видео были приобретены с двумя частотами кадров: 0,2 fps (медленный) и 100 кадров в секунду (быстрый). Первый подходит для измерения темпов роста, в то время как второй больше подходит для измерения темпов сокращения, что на порядок быстрее, чем темпы роста.
В случае, когда золотые наночастицы используются для настройки микроскопа, пример изображения отображается на рисунке 6. Золотые наночастицы пассивно прикреплялись к поверхности. Хотя 40 нм частиц рекомендуется, это также возможно изображение 20 нм частиц, но на более низком контрасте.

Рисунок 1. Схематическое представление IRM. (A) Эпи-освещение от источника света проходит через диафрагму диафрагмы до достижения 50/50 зеркало. Диафрагма диафрагмы диафрагмы устанавливает ширину луча таким образом освещение NA. Зеркало 50/50 частично отражает свет до цели, чтобы осветить образец. Свет, отраженный в образце, собирается, а затем проецируется на чип камеры (по объективу трубки), где он мешает генерировать изображение. Контраст изображения является результатом взаимодействия между светом, отраженным от стеклянного/водного интерфейса (I1) и светом, отраженным от интерфейса воды/микротрубочки (I2). В зависимости от микротрубочки/расстояния поверхности (h), оптическая разница пути между I1 и I2 приведет к конструктивному (яркий сигнал) или разрушительному (темный сигнал) или что-нибудь между ними. Например, если свет с длиной волны 600 нм используется для визуализации, контраст будет переключаться между темным и ярким, когда высота микротрубока изменяется примерно на 100 нм. Звездочка указывает на конъюгированные плоскости (измененные из15). (B) Пример установки зеркала 50/50. Подходящий кубик фильтра был открыт и зеркало было вставлено где дикроаическое зеркало обычно сидит. Зеркало было ориентировано в рамках инструкций производителя. Затем куб был вставлен в фильтрколесо, которое было вставлено обратно в микроскоп (не показано). Во время установки использовались перчатки, а зеркало держалось только по краям. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 2. Оптимальная диафрагма диафрагмы. (A) То же поле зрения было изображено на различных отверстиях диафрагмы диафрагмы без фонового вычитания. Визуально контраст увеличивался по мере увеличения размера диафрагмы диафрагмы, пока она не достигла плато и не начала ухудшаться впоследствии. Это было подтверждено (B) SBR измерения фоновых вычитаемых изображений. Бары ошибок являются стандартным отклонением. Шкала баров 500 мкм (н.э.) и 3 мкм (микротрубочки). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 3. Измерение соотношения шума от сигнала к фону. Микротрубочки были изолированы в интересуемых регионах. Каждый регион, представляющий интерес, был заранее отделен от фона микротрубока. Средний сигнал микротрубока был получен из сканирования линии по микротрубе. Ширина линии сканирования была установлена в соответствии с длиной микротрубок. Таким образом, каждая точка сканирования представляет собой среднее значение сигналов всех пикселей вдоль оси микротрубок, параллельных этой точке. Фоновый шум является стандартным отклонением всех пикселей ниже отсеченного порога. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 4. Обработка изображений. После получения необработанных изображений (A)фон (B) был вычтен (C) для повышения контраста микротрубок. Для дальнейшего улучшения контраста изображения были либо усреднены (D) или Фурье фильтруется (E) или оба (F). Сканирование линии (G),местоположение которой указывается на пунктирной красной линии в (A) являются цветом, соответствующим различным изображениям в (A) к (F). Цифры в нижнем углу являются средними SBRs, измеренными для всего поля зрения. Шкала бар 5 мкм (изменено от15) . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 5. Примеры кимографов. (A) Kymograph примеры динамики микротрубочек, генерируемых из замедленного фильмов, приобретенных на 0,2 fps. (B) Kymograph с изображением примера события усадки, порожденных из фильма, приобретенного на 100 кадров в секунду. Dashed линии отмечают семена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 6. Пример золотых наночастиц, изображенных irM. Золотые наночастицы размеров 20 и 40 нм были пассивно прикреплены к поверхности. Было получено 10 изображений. После фонового вычитания изображения усреднели для повышения контраста. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 7. Точность отслеживания длины микротрубок в изображениях IRM. Стабилизированные микротрубочки (т.е. фиксированная длина) были изображены 200x на 100 кадров в секунду, а затем в среднем до 10 кадров в секунду для повышения контрастности. Далее, длина микротрубочки были измерены с помощью программного обеспечения отслеживания Fiesta17. Для каждого микротрубока средняя длина и стандартное отклонение были рассчитаны, как показано на рисунке (пунктирная линия представляет собой среднее и сплошные красные линии, представляющие стандартное отклонение, длина 3971 и 20 нм. Общая точность отслеживания была в среднем по стандартному отклонению всех гусеничных микротрубок (n no 6 микротрубчатых х 20 точек данных и 120 точек данных). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Дополнительный файл 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Этот протокол продемонстрировал успешное использование IRM для визуализации и измерения динамики микротруб. Следует позаботиться о правильном настройке просветительной численной диафрагмы, так как она оказывает самое сильное влияние на контраст изображения. Кроме того, использование высоких численных целей диафрагмы (NA) имеет важное значение для получения высокого разрешения / высокой контрастности изображения, как более высокая цель NA имеют более высокую мощность сбора света по сравнению с низкими целями NA. Чище поверхности и растворов используется ниже шума, как грязь заканчивается крепления к поверхности и добавления (в течение эксперимента) пятнышко, как шум на изображения. Приобретение фонового изображения имеет важное значение, а также удаляет неоднородности освещения, статического шума и поверхностных неровностей.
Рекомендуемая модификация заключается в том, чтобы ввести фильтр длинного прохода (Зgt;600 нм) в траектории освещения. Спектр белых источников света обычно содержит длины волн в УФ-излучения, которые могут повредить микротрубочки. Кроме того, использование длинной длины волны для IRM пригодится при сочетании IRM с флуоресценцией (например, при изучении влияния микротрубок связанных белков (МЭП) на динамику микротрубок). Имейте в виду, что при визуализации за расходуемый период времени, дрейф образца (особенно вдоль оптической оси) уменьшает контраст изображения из-за отклонения плоскости изображения от фонового самолета. Современные микроскопы часто оснащены стабилизационными механизмами (например, идеальным фокусом (Nikon), Определенным фокусом.2 (Зейсс), IX3-ЗДК2 (Олимп)). Альтернативным решением является термически стабилизировать установку либо пассивно или активно18 или путем коррекции для дрейфа19,20,21. Наконец, контраст микротрубок может быть увеличен за счет уменьшения размера поля диафрагмы (70% открытие является хорошим выбором, как это баланс между увеличением контрастности и поля зрения размера)15.
В то время как IRM подходит для визуализации микротрубочек, он не достаточно чувствителен для обнаружения одиночных белков. Для такого применения iSCAT является более подходящей техникой. Аналогичным образом, флуоресценция и iSCAT лучше подходят, если требуется точность отслеживания менее 10 нм. Для IRM измеренная точность отслеживания длины составляет 20 нм, как показано на рисунке 7.
Использование IRM в поверхностных анализах может выйти за рамки микротрубок; например, молекулярные двигатели могут быть помечены золотыми наночастицами и отслеживаться при взаимодействии с микротрубами. Кроме того, более продвинутая форма IRM, известная как светоотражающая микроскопия интерференции (RICM)22, в принципе может быть использована для дальнейшего повышения контраста микротрубок и получения более высокой точности отслеживания.
Авторы не имеют конфликта интересов раскрыть.
Авторы благодарят Анну Лучняк и Инь-вэй Куо за критическое чтение и комментарии к протоколу.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Микроскоп | Nikon | Ti-Eclipse | Инвертированный микроскоп, используемый для выполнения исследований |
| светоделитель 50/50 | Chroma | 21000 | При покупке обязательно выбирайте размеры делителя, которые соответствуют кубу, используемому в микроскопе |
| NIKON PLAN FLUOR 100X/0.5-1.3 Iris объектив | Nikon | MRH02902 | Imaging объектив. Этот объектив имеет NA регулировочную радужную оболочку, которая была открыта для NA 1.3 |
| Mucasol универсальное моющее средство | Sigma-aAldrich | Z637181-2L | Используется для очистки покровных стекол и слайдов |
| пластиковой парафиновой пленки (коммерческое название Parafilm M) | Sigma-aAldrich | P7793 | Используется для построения проточных каналов |
| Anti-TAMRA антитела | Invitrogen | A-6397 | Используется для связывания меченых TAMRA молекул (например, микротрубочек) с поверхностью образца. RRID (AB_2536196) |
| Poloxamer 407 (коммерческое название Pluronic F-127) | Sigma-aAldrich | Используется для блокировки поверхности канала для предотвращения неспецифического связывания | |
| наночастиц золота 40 нм | Sigma-aAldrich | 753637 | Используется в качестве контрольного образца |
| наночастиц золота 20 нм | Sigma-aAldrich | 753610 | Используется в качестве контрольного образца |
| Zyla 4.2 Camera | Andor | Zyla 4.2 | 2048x2048 пикселей (6.5&микро; m размером пикселя) с квантовой эффективностью 72% и 16-битным динамическим диапазоном |
| программного обеспечения | https://www.bcube-dresden.de/fiesta/wiki/FIESTA | ||
| стабилизированных микротрубок | приготовленных на месте (см. ссылки в тексте) |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission