Здесь представлен протокол, описывающий этапы подготовки образцов и сбора данных, необходимые в криомягтерной рентгеновской томографии (SXT) для изображения ультраструктуры целых криосохраненных клеток с разрешением 25 нм половинного шага.
Методическая статья
Здесь представлен протокол, описывающий этапы подготовки образцов и сбора данных, необходимые в криомягтерной рентгеновской томографии (SXT) для изображения ультраструктуры целых криосохраненных клеток с разрешением 25 нм половинного шага.
Методы визуализации имеют основополагающее значение для понимания организации клеток и механизмов в биологических исследованиях и смежных областях. Среди этих методов криомягтерная рентгеновская томография (SXT) позволяет визуализировать целые криосохраненные клетки в диапазоне энергии рентгеновского излучения водного окна (284-543 эВ), в котором углеродные структуры имеют по своей сути более высокое поглощение, чем вода, что позволяет 3D-реконструкцию линейного коэффициента поглощения материала, содержащегося в каждом вокселе. Таким образом, достижима количественная структурная информация на уровне целых ячеек толщиной до 10 мкм с высокой пропускной способностью и пространственным разрешением до 25-30 нм половинного шага. Cryo-SXT доказал свою актуальность для текущих биомедицинских исследований, предоставляя 3D-информацию о процессах клеточной инфекции (вирус, бактерии или паразиты), морфологических изменениях, вызванных заболеваниями (такими как рецессивные генетические заболевания) и помогая нам понять действие лекарств на клеточном уровне или найти конкретные структуры в 3D-клеточной среде. Кроме того, используя преимущества перестраиваемой длины волны на синхротронных установках, спектромископия или ее 3D-аналог, спектромография, также может быть использована для изображения и количественной оценки конкретных элементов в клетке, таких как кальций в процессах биоминерализации. Cryo-SXT предоставляет дополнительную информацию к другим методам биологической визуализации, таким как электронная микроскопия, рентгеновская флуоресценция или флуоресценция видимого света, и обычно используется в качестве партнерского метода для 2D или 3D коррелятивной визуализации в криогенных условиях, чтобы связать функцию, местоположение и морфологию.
Cryo-SXT может играть центральную роль в исследованиях биологической визуализации, поскольку он обеспечивает 3D-среднее разрешение (25-30 нм половинчатого шага) объемов гидратированных целых клеток 1,2,3,4,5,6. В диапазоне энергий водного окна, между краями поглощения углерода и кислорода K (4,4-2,3 нм), богатые углеродом клеточные структуры поглощают в 10 раз больше, чем богатая кислородом среда, которая пронизывает и окружает их. В этом энергетическом диапазоне остеклованные клетки толщиной до 10 мкм могут быть визуализированы без необходимости сечения или окрашивания, что приводит к количественным проекциям контраста с высоким поглощением, которые в сочетании с возможностями вращения образца позволяют проводить томографическую реконструкцию клеточной структуры. Cryo-SXT заполняет нишу с точки зрения размеров образцов и пространственного разрешения, которая недоступна для любого другого метода визуализации.
Вкратце, контраст поглощения крио-SXT является количественным, так как затухание фотонов через образец толщины t подчиняется закону Бира-Ламберта следующим образом:
, где I0 представляет интенсивность падающего, а μl коэффициент линейного поглощения, который зависит от длины волны λ и воображаемой части β показателя преломления образца (
). Затухание является функцией биохимического состава и толщины изображаемых структур, причем каждый биохимический компонент имеет определенный коэффициент линейного поглощения рентгеновского излучения μl (LAC). Это означает, что значение вокселя каждой томографии зависит от химических элементов и их концентрации в этом вокселе7. Это позволяет естественным образом различать различные органеллы, такие как ядра, ядрышки, липидные тела или митохондрии, или различные состояния уплотнения хроматина исключительно на основе присущих им значений LAC, реконструированных 2,8,9.
Кроме того, крио-SXT - это высокопроизводительный метод, при котором томограммы собираются за несколько минут. Это, в частности, позволяет получать мезомасштабную визуализацию клеточных популяций, которые могут быть захвачены в ключевые моменты времени, такие как деление, дифференцировка и апоптоз, а также в различных состояниях ответа, таких как те, которые вызваны химическим воздействием конкретных лекарственных препаратов или патогенных инфекций. Данные, собранные в этих ключевых точках, обеспечат 3D-описание системы с точной записью пространственной организации различных клеточных органелл в эти конкретные моменты.
Обычно крио-SXT используется в сочетании с другими методами, следующими коррелятивным подходам, которые позволяют обнаруживать конкретные особенности, события или макромолекулы в 3D-клеточной среде 4,10,11,12,13,14,15,16, или жесткие рентгеновские флуоресцентные данные 17,18 . Корреляционные подходы в криогенных условиях имеют первостепенное значение для получения наиболее полной и ценной картины интересующей системы. Краткое описание типичного рабочего процесса на крио-SXT-линиях мистраля (Alba) и B24 (Diamond) приведено на рисунке 1.
Кроме того, используя возможности настройки длины волны на синхротронных установках, спектроскопическая информация может быть получена в дополнение к структурной с использованием специфического дифференциального поглощения конкретных элементов, содержащихся в образце. Примером этого может служить расположение кальция при изучении процессов биоминерализации в клетках 19,20,21. Делая 2D-изображения при различных энергиях фотонов (спектрах) или томограммах ниже и на интересующем краю поглощения рентгеновского излучения, можно идентифицировать пиксели или вокселы, содержащие выбранный элемент. Спектры также позволяют дифференцировать химические состояния (т.е. эволюцию аморфного кальция в гидроксиапатит, как в предыдущем примере биоминерализации20). Количественная оценка различных элементов возможна в 2D и 3D. Спектроскопическая визуализация остеклованных клеток обычно проводится в водном окне, но также возможна в других диапазонах энергии, если содержание воды достаточно низкое или если используются другие протоколы пробоподготовки, включая обезвоживание,22. Подробный пошаговый протокол спектроскопии находится за пределами фокуса протокола в настоящем документе.
В дальнейшем протокол фокусируется на кратком обобщении основных этапов подготовки образцов, хотя каждая система может нуждаться в индивидуальной доработке, за которой следует подробная пошаговая процедура сбора данных для криомягтерной рентгеновской томографии.
1. Пробоподготовка
2. Загрузка в трансмиссионный рентгеновский микроскоп (TXM)
3. Создание изображений с помощью программного обеспечения TXM
ПРИМЕЧАНИЕ: Сетки на стадии образца сначала визуализируются с помощью онлайн-микроскопа видимого света (VLM) для отображения сетки либо в режиме яркого поля и/или флуоресценции, прежде чем получить изображение с помощью рентгеновских лучей. Используйте значок джойстика, соответствующий вкладке Управление движением на верхней левой панели, чтобы открыть Элемент управления движением.
4. Анализ данных
ПРИМЕЧАНИЕ: Весь анализ данных выполняется с помощью доступного открытого программного обеспечения и скриптов, разработанных с помощью автоматизированных конвейеров.
Подготовка образцов для крио-SXT может быть сложной задачей. Даже в пределах одной и той же сетки образцов можно иметь области, которые являются идеальными, и области, которые не идеальны, как видно на рисунке 5, где показаны два квадрата из одной и той же сетки Поиска Au. Идеальный образец должен иметь одиночные клетки в центре квадратной сетки, встроенные в тонкий слой льда и окруженные хорошо дисперсными маркерами Au fiducial, используемыми для выравнивания наклонных проекций перед реконструкцией томографии. На рисунке 5А показана фибробластоподобная клетка (NIH 3T3), которая соответствует многим из этих критериев. Один фрагмент из 3D-реконструкции с использованием ART27 области, отмеченной красным прямоугольником, указывающим поле зрения (FoV), показан на рисунке 5B. Многие различные органеллы, такие как митохондрии (M), эндоплазматический ретикулум (ER), везикулы (V) и ядро (N), могут быть различимы благодаря количественной реконструкции LAC. Кроме того, отношение сигнал/шум реконструкции очень высокое, что позволяет добиться высокой контрастности сотовых функций. С другой стороны, на рисунке 5C показан квадрат с более высокой плотностью клеток. Из-за этого пятно обычно менее эффективно, что приводит к более толстому слою льда или даже проблемам с витрификацией. В некоторых случаях это уже можно наблюдать при скрининге сетки с использованием эпифлуоресцентного картирования до рентгеновской визуализации, и этих сеток следует избегать любой ценой. На рисунке 5C можно наблюдать трещину внутри сетки и остеклованный лед, проходящий через весь квадрат сетки (отмеченный красными стрелками). Следует избегать любых изображений вблизи трещин из-за вероятной нестабильности сетки при воздействии луча. Кроме того, трещины могут быть признаком густого льда, как это было в этом районе. Серия наклона была зафиксирована в области, отмеченной красным прямоугольником. На рисунке 5D показан один срез из соответствующей 3D-реконструкции. Несмотря на то, что некоторые более крупные структуры могут быть распознаны, мелкие детали теряются в шуме и зернистой текстуре из-за плохого качества витрификации толстого льда, что можно увидеть, например, на верхних митохондриях, направленных стрелой.

Рисунок 1: Рабочий процесс. Схематический рабочий процесс, выполнявшийся до сбора данных cryo-SXT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Растущие клетки на сетках. (A) Клетки, растущие в чашке Петри P100 со слиянием около 80%-90%. (B) Чашка Петри P60 с несколькими сетками после посева клеток. (C) Клетки, растущие поверх сетки через 24 ч. Шкала: 100 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Загрузка сеток на держатели образцов и в передаточную камеру. (А) Рабочее место заполнено жидким азотом с шаттлом и криобоксами, готовыми к загрузке сетей. (B) Держатель образца, вставленный в погрузчик с загруженной сеткой. (C) Челнок с держателем образца в положении 3 без крышки. (D) Рабочее место с прикрепленной передаточной камерой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Загрузка образцов в TXM (A) Присоединение передаточной камеры к TXM. (B) Шаттл внутри TXM. (C) Роботизированная манипулятор TXM, вставляющая держатель образца в стадию отбора проб. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Пример криомягтерных рентгеновских томограмм. Верхний ряд: идеальный образец, (А) 2D мозаичный вид квадрата сетки, показывающего изолированную ячейку в центре. (B) Один фрагмент из реконструированного 3D-тома, показывающий отмеченную область красным прямоугольником (A). По сравнению с (D) изображение намного более плавное, и видно больше деталей. Нижний ряд: неидеальные образцы, (C) 2D мозаичный вид квадрата сетки, показывающий слишком высокую слияние ячеек и трещины во льду и фольге сетки (красные стрелки). (D) Один фрагмент из реконструированного 3D-тома, показывающий область, отмеченную красным прямоугольником в (C). Плохая или неоптимальная витрификация может быть идентифицирована по зернистой текстуре изображения. N: Ядро; M: Митохондрии; ER: Эндоплазматический ретикулум; МВ: Мультивезикулярные тела; V: Вакуоль; Шкала стержней: A & C 20 мкм; B & D 2 μm.VПожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Пробоподготовка является критическим этапом для получения высококачественных мягких рентгеновских томограмм, так как их качество напрямую зависит от качества витрификации образца и толщины слоя льда, в который встроена ячейка. Проекции с высоким отношением сигнал/шум будут собираться в регионах с тонким слоем льда, что позволит минимизировать дозу излучения, необходимую для достижения максимально возможного разрешения. Кроме того, слияние клеток также повлияет на качество конечной томограммы, так как следует избегать попадания соседних клеток в FoV при вращении. Наконец, правильная дисперсия маркеров Au fiducial определит точность выравнивания проекции, а затем в конечном итоге определит качество конечного 3D-реконструированного объема. Обратите внимание, что правильное распределение Au fiducials по сетке позволяет автоматизировать шаг выравнивания проекции, без которого необходима высокая квалификация для такого критического шага.
Протокол в настоящем документе описывает только одну возможную стратегию подготовки образцов, которая имеет сходство с теми, которые используются в криоэлектронной томографии (крио-ET). В обоих случаях протоколы, улучшающие требовательную подготовку образцов для лучшей воспроизводимости, будут иметь основополагающее значение для успеха этих методов, и предпринимаются усилия для достижения этой цели29. Стоит отметить, что в дополнение к визуализации изолированных клеток, участки ткани также могут быть визуализированы при условии, что сигнала передачи через участок будет достаточно при высоких углах наклона. Как правило, это подразумевает участки в несколько микрон (ниже 10 мкм).
Чтобы отобразить определенную структуру или событие внутри ячейки, необходимо убедиться, что эта конкретная функция находится внутри FoV серии наклона. Поскольку FoV в крио-SXT ограничен 10 x 10мкм2 до 15 x 15мкм2 в зависимости от объектива и с учетом пиксельной передискретизации разрешения по крайней мере до 2 раз, он часто меньше, чем полное расширение ячейки (см. красные квадраты, указанные на рисунке 5). Поэтому ROI должен быть найден и правильно маркирован. Обычно это делается с помощью флуоресцентных меток и корреляционных подходов видимого света. 2D-стратегии, сочетающие эпифлуоресценцию, просты, так как мягкий рентгеновский просвечивающий микроскоп имеет встроенный флуоресцентный микроскоп видимого света, но другие подходы для сигнала флуоресценции высокого разрешения 2D или 3D также доступны 4,12,13,15,16 . В этих случаях сетка должна быть сначала визуализирована в конкретных инструментах, таких как микроскопы со сверхвысоким разрешением. Обратите внимание, что наиболее эффективными корреляционными подходами являются подходы, связанные со сбором данных в криогенных условиях. Это связано с тем, что промежуток времени между комнатной температурой (RT), флуоресцентной визуализацией видимого света и витрификацией образца, например, будет препятствовать своевременному улавливанию правильного клеточного события; кроме того, процедура витрификации может отделить интересующую ячейку, которая была изображена в RT, от сетки. Даже если большинство корреляционных подходов к визуализации могут подразумевать, что сетками образцов необходимо манипулировать и транспортировать с одного инструмента на другой, и, несмотря на повышенный риск загрязнения сети или повреждения, которое это создает, награда ясна: иметь возможность точно определять конкретные события или молекулы в клеточном ландшафте.
Когда требуется визуализация целых клеток, возможно сшивание различных томограмм при условии, что общая применяемая доза не превышает предел радиационного повреждения. Обычно осажденная доза для сбора нескольких томограмм на одной и той же клетке значительно ниже предела достижимого разрешения (109 Гр) и, следовательно, не требуется никакой конкретной стратегии для снижения дозы, хотя это зависит от образца и эксперимента. В случае интенсивного сбора данных, такого как спектромография, действительно потребуется минимизация дозы и применение удобных стратегий сбора данных и их обработки.
Cryo-SXT имеет несколько ограничений, о которых следует упомянуть здесь. Первый - это хорошо известный отсутствующий клин, который присущ использованию плоских опор для образцов. Капиллярные опоры для образцов, позволяющие вращаться на 180 градусов, использовались в прошлом и до сих пор используются на некоторых объектах, но они также имеют недостатки, такие как обедненный контраст из-за поглощения стекла и ограничение использования ячеек в суспензии. Способ уменьшить эффект отсутствующего клина - выполнить томографию с двойным наклоном. Это действительно возможно на лучевой линии Мистраль в наши дни. Второе ограничение устанавливает пластинчатая линза Френеля, используемая в таких микроскопах. Этот объектив устанавливает максимально достижимое разрешение и глубину резкости (DoF), которые тесно связаны. Это означает, что увеличение разрешения уменьшит DoF, в то время как толщина ячейки часто будет больше. Например, объектив 40 нм теоретически будет иметь DoF 3 мкм и разрешение 24,4 нм половинного шага. Поэтому компромисс между разрешением и DoF является стратегическим, и выбор объектива будет зависеть от типа ячейки 30,31. Наконец, действующие TXM во всем мире далеки от идеальных микроскопов, и предпринимаются усилия по улучшению оптических систем для достижения теоретических ожиданий. Наконец, визуализация и сегментация реконструированных объемов может осуществляться с помощью специальных программных средств 25,32,33,34.
Таким образом, крио-SXT позволяет количественно визуализировать клетки при среднем разрешении (25-30 нм половинного шага) и в статистических цифрах (несколько десятков томограмм в день). Это позволяет получить организацию, распределение и размер органелл в конкретных условиях, например, во время патогенной инфекции или заболеваний, в точные моменты времени или после конкретных методов лечения. Таким образом, это полезный дополнительный метод биологической визуализации к более распространенным микроскопиям электронного и видимого света, каждая из которых охватывает определенный диапазон размеров и разрешения образца. Крио-SXT часто используется в коррелятивных подходах, включающих флуоресценцию видимого света, но возможны и другие криокоррелятивные стратегии.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Этот проект получил финансирование от проекта Европейской комиссии Horizon 2020 iNEXT-Discovery и исследовательской и инновационной программы Европейского союза Horizon 2020 в рамках грантового соглашения Марии Склодовской-Кюри No 75439.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Программное обеспечение Amira | Thermo Fisher | для сегментации | |
| Au Holey Carbon Films Finder Grids | (Quantifoil Micro Tools Gmb& | nbsp; R 2/2 Au G200F1 | Au Holey Углеродные пленки искатель сетки |
| Au наночастицы | BBI Group, Кардифф, Великобритания | Наночастицы Au 100 нм | 100 нм Наночастицы Au (НЧ) в Mistral (Alba) |
| Au наночастицы | BBI Group, Кардифф, Великобритания | Au наночастицы 250 нм | 250 нм Au наночастицы (NPs) в точке B24 (алмаз) |
| Axio Scope A1 | Zeiss | 430035 9060 | Флуоресцентный микроскоп |
| Блоттинг No1 фильтровальная бумага | Ватман | WHA10010155 | Блоттинг фильтр |
| Bsoft | Программное обеспечение для выравнивания, реконструкции и визуализации проекции (Heymann et al., 2008) | ||
| Химера | Программное обеспечение для сегментации (Pettersen et al. 2004) | ||
| Cryo-EM Glow | 91000S | очистки тлеющего разряда | |
| Cu Holey Carbon Films finder grids | (Quantifoil Micro Tools Gmb& | nbsp; R 2/2Cu G200F1 | Cu Holey Carbon Films finder сетки |
| Фетальная сыворотка теленка | Sigma | F9665 | Термоинактивированная, стерильно-фильтрованная, подходит для клеточных культур |
| ImageJ | Программное обеспечение для обработки и анализа изображений в Java (NIH & LOCI University of Wisconsin) | ||
| IMOD | Программное обеспечение для выравнивания, реконструкции и визуализации проекции (Kremer et al., 1996) | ||
| Leica EM GP Grid Plunger | Leica | 16706401 | Автоматический погружной морозильник EM |
| LINKAM крио-столик Linkam | Scientific Instruments | CMS 196 | Криокоррелятивный микроскопический столик |
| MIB | Программное обеспечение для сегментации (Belevich et al. 2016) | ||
| P100 чашка Петри | Sigma | P6106 | Обработанная для клеточной культуры и стерильная |
| чашка Петри P60 Sigma | D8054 | Обработанная для клеточной культуры и стерильная | |
| полилизина | Sigma | P4707 | Поли-L-лизин раствор 0,01%, стерильно-фильтрованный |
| Мягкий рентгеновский микроскоп 0,25-1,2 кэВ | Xradia | NCT-SB | Transmission soft Рентгеновский микроскоп |
| SURVOS | Программное обеспечение для сегментации (Луэнго и др. 2017) | ||
| Программное обеспечение Tomo3d | для реконструкции (SIRT, WBP) (Agulleiro et al. 2011) | ||
| Программное обеспечение TomoJ | для реконструкции (ART) (Messaoudi et al., 2007) | ||
| XM Data Explorer | Zeiss | TXM |
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение