Modifiye İki foton mikroskop 3D Orbital Takip: Hücre içi veziküllerin İzlemeye Bir Uygulama

Summary

Bu video protokolünde, modifiye edilmiş iki fotonlu bir mikroskopta orbital izleme yöntemini kullanarak, canlı hücreler içindeki floresan olarak işaretlenmiş lizozomları - yüksek hızda ve üç boyutta - izliyoruz.

Abstract

Bu Video protokolün amacı, bir modifiye iki-foton mikroskop ¹ kullanarak üç boyutlu floresan yörünge parçacık izleme deneyi gerçekleştirmek ve analiz nasıl tartışmaktır. Geleneksel yaklaşımlar (raster tarama veya kare bir yığın tabanlı geniş alan) aksine, 3D yörünge izleme lokalize ve yüksek uzaysal (10 nm doğruluk) ve temporal çözünürlük (50 Hz frekans tepkisi) 3D deplasman ile takip sağlar mikron ² yüzlerce uzunluğu-ölçeklerde hareketli bir floresan parçacık. Bu yöntem takip edilecek nesnenin etrafında dairesel bir yörünge gerçekleştirmek için bir iki-fotonlu lazer tarama mikroskobu donanım kontrol eden bir geri besleme algoritmasına dayanır: geri besleme mekanizması yer değiştirme kontrol ederek merkezinde floresan nesne koruyacaktır tarama ışın ^3-5. Bu tekniğin avantajlarını göstermek için, biz al içinde hızlı bir hareket organelini, lizozom, takipiving hücre ^6,7. Hücreler, standart protokollere göre kaplama, ve bir ticari olarak lizozom boya ile boyandı. Biz yaşayan hücrelerin içinde bir 3D yörünge izleme deneyi gerçekleştirmek için, kısaca donanım yapılandırması ve daha detaylı kontrol yazılımı tartışmak. Ayrıntılı olarak tarama mikroskobu kontrol ve parçacık etrafında kapalı bir yörüngede kirişin hareketi mümkün kılmak için gerekli parametreleri tartışırlar. Bu yöntem etkili bir şekilde canlı hücre içinde 3D mikrotübüller boyunca bir etiketli lizozom hızlı hareketi izlemek için nasıl kullanılabileceğini gösteren sonucuna varmaktadırlar. Lizozomlar tipik olarak mikrotübül ağı ⁸ boyunca yönlendirilmiş hareketini görüntüleyen, 0.4-0.5 mm / sn aralığında hızlarla hareket edebilir.

Introduction

Yaklaşımlar çok sayıda, bir mikroskop kullanılarak üç boyutlu olarak floresan parçacıkların izlemek için bugüne kadar geliştirilmiştir. En ideal yaklaşımlar, tipik olarak, eksenel yönde izleme elde etmek için mikroskop emisyon optik özel modifikasyonları ile birlikte, iki boyutlu izlemek için uygun, hızlı kameraların kullanımına dayanmaktadır. Bu işlem, uygun bir zaman çözünürlüğü (10 Hz), tipik olarak zaman alıcı ve verir, ancak geleneksel bir partiküldür izlenen halinde, Z yığınlarının bir zaman dizisi gerçekleştirerek, floresan partikül izleyebilir (konfokal ya da iki ya da foton) lazer tarama mikroskobu Etkin bir geri besleme mekanizması ² ile küçük bir raster görüntüleme bölgenin merkezinde tuttu.

Kilitleme-in parçacığa fikri yörünge izleme yönteminin temelidir. Bunun yerine, bir raster dairesel bir yörünge floresan de yaklaşık tarama gerçekleştirilir. Boyunca floresans yoğunluğuyörünge tam parçacık pozisyonunu ⁴ lokalize.

Parçacığın lokalize konumu daha sonra mikroskop tarayıcıları ve yeniden merkezi partikül yörünge konumu üzerinde harekete geçirmek için kullanılabilir. Mikroskop galvanometre tarayıcılar bir analog voltaj ile tahrik edilmektedir. Bu gerilimin AC bileşeni, bir sinüs ve dairesel bir yörünge performans sağlayacak X ve Y, tarama ayna uygulanan bir kosinüs dalgası, yani, odaklı lazer ışını ile bir yörüngeye da yapılabilir. Sinyalinin offset DC yörünge merkezinin pozisyonunu değiştirerek kolaylaştırır. Bir yörünge süresi belirlenir ve AC sinyali için dalga yapılandırıldıktan sonra, geri besleme sistemi bir sinyalin DC bileşenini güncellemek gerekir.

Dedektörler toplanan floresan sinyalini okumak mümkün bir yazılım DC kapalı, tarayıcılar ve dedektörleri kontrol etmek parçacığın konumunu hesaplamak için ve güncelleme gereklidirayarlayın. Yörünge parametrelerine (boyut ve zamanlama) dikkatli bir seçim görüntüleme başarılı bir geribildirim için gerekli ve bu parametreler o izlemek için gerekli olan floresan parçacıkların özelliklerine dayalı ayarlanması gerekiyor edilir.

Tekniğinin fiziksel ve matematiksel temelleri 2D ve 3D uygulamaları için geçmiş ^4,5'den tarif edilmiştir. Bu protokolde kısaca kurulum ana donanım bileşenlerini tanımlamak ve daha ayrıntılı parametrelerin seçimi ve numune hazırlama canlı bir hücrenin içinde yüksek bir zamansal çözünürlükte bir lizozomun yerinden takip etmemizi sağlayan tipik bir deney için gerekli.

Protocol

1. Numune Hazırlama

1. % 10 fetal sığır serumu ve penisilin streptomisin 50 ng / ml, 100 IU / ml ile takviye edilen DMEM kullanılarak doku kültürü şişelerinde CHOK1 hücreleri korumak. 37 ° C sıcaklıkta 5% _CO2 nemlendirilmiş inkübatör hücreleri inkübe edin.
2. Hasat daha sonra 0.16 mm kadar bir kalınlığı olan bir yüzey 14 mm çaplı mikro çukuruna CHOK1 hücreleri ve plaka. 60-70% konfluansa çevresinde görüntüleme için en uygun yoğunluk için, tohum hücreleri.
3. 37 ° C'de gece boyunca inkübe hücreleri,% 5 _CO2. Yeşil ve tübülin izci yeşil 150 nM Lysotracker DND26 50 nM ihtiva eden bir çözelti içinde hücreleri HBSS (Hank Tamponlu Tuz Çözeltisi) içindeki hücreleri üç kez yıkayın ve inkübe edilir. 37 ° C'de 1 saat boyunca hücrelerin inkübe edin. İsteğe bağlı adım: kuluçkalamadan önce, bir mitokondrial matris boyama boyasının (25 nM) ilave bir leke gerçekleştirir.
4. Herhangi bağlanmamış boya kaldırmak için HBSS'de hücreleri üç kez yıkayın. Imag öncesinde taze DMEM büyüme ortamı ilave edinhücreleri ing.

2. Mikroskop Yapılandırmaları

Video protokolde tarif parçacık takibi için mikroskop, bir ticari olarak temin edilebilir, ters çevrilmiş mikroskop (Şekil 4) şasisi üzerine monte edilir. 3D yörünge parçacık izleme Ancak ticari modülleri artık mevcuttur.

1. 690 nm-1040 nm arasında ayarlanabilir bir çıkış dalga boyu aralığında, Sa femtosaniye lazer uyarım ışık kaynağı: Tutarlı Bir Bukalemun-Ultra II Ti kullanın.
2. Lazer ışını IR-kaplı aynalar kullanılarak mikroskop arka limanında hizalanmış olduğundan emin olun. Lazer ışını, bir kalsit doğrusal polarizörün ardından dönen yarım dalga plakası kullanılarak azaltılır. Örnek olarak, ortalama güç 0.5 mW 2 arasında olacak şekilde ışını zayıflatır.
   NOT: Lazer ışını, örnek düzlemde odaklanmış demetin konumunda ve yörüngesini kontrol etmek için kullanılır galvano-motor tahrikli bir çift ayna tarafından yansıtılır. Birkısa geçişli renkli aynadan yansıması sonrasında mikroskop objektif arka girmeden önce, bir ışın genişletici geçen galvanometre aynalar çıkan dengesi ayarlanmış lazer ışını genişletilmiş tipik yapılandırma (10X).
3. Işık yoluna yüksek sayısal açıklık su hedef (60X NA 1.2) yerleştirerek numuneden floresan ışığı toplamak. Bir ya da iki kanal konfigürasyonunda, istenen emisyon dalga boyuna göre, bir floresan filtre küpü seçin. Ayrıca yayılan floresan spektral aralığını seçmek için emisyon band geçiren filtreler kullanır.
4. Motorlu bir sahneye örnek yerleştirin ve objektif bir piezo-kumandayı kullanarak mikroskop objektif ince hareketini ayarlayın.
5. Sinyal tefrik ve dijital I / O veri toplama kartı gönderilir photomultiplier tüpler içine filtre küp ışık yönlendirin.
   NOT: Bilgisayar dalga I / O kartının analog çıkış ve provid vardır oluşturulantarayıcılar için ed elektronik kontrol. Fotomultiplikatörler tarayıcılar için çıkış sinyalinden foton sayma girişi ölçülür ve Floresan Dynamics SimFCS yazılımı Laboratuvarı tarafından I / O kartı üzerinden kontrol edilir.

3. Görüntüleme

1. Sahnede hücreleri yerleştirin ve iletilen ışık aydınlatma kullanarak odaklanın.
2. Boya dahil olan hücreleri tespit etmek ve altında yatan mikrotübülleri görselleştirmek için raster tarama görüntüleme geçin. Vezikül hareketi varsa ilk alan tanımlayın.
3. Izole bir kese tespit edildikten sonra, yörünge takibi için aşağıdaki parametreleri ayarlayın:
   1. Parçacığın boyutu izleniyor göre dairesel tarama boyutunu tanımlamak için yörüngenin yarıçapını seçin. Bir nokta Verici için, duyarlılık ve tepki maksimize etmek uyarma kirişin Noktası Yayılması Fonksiyonu (PSF) bel eşit yörüngenin yarıçapı ayarlayın.
   2. Eksenel ayarlamaeksenel yön boyunca parçacık konumunun belirlenmesi için gerçekleştirilen iki yörünge arasındaki mesafeyi belirlemek için mesafe. 1,5-3 kat PSF bel eksenel mesafeyi ayarlayın.
   3. Ayrıca fotoğraf ağartmak oranını belirleyecek yörüngesinin her noktasında harcanan zamanı ayarlamak için parçacığın parlaklığına göre bekleme süresini tanımlayın. 10-100 mikro-saniye arasında bir bekleme süresi kullanın.
   4. 4-32 msn sırayla yörünge dönemleri verim ve parçacık konumunu belirlemek için bir yüksek temporal çözünürlük sağlamak için 64 veya 128, her yörüngede noktalarının sayısını ayarlayın.
4. DC raster taranan görüntüde bir imleç seçim yoluyla grafiksel kullanıcı arabirimi yoluyla parçacık üzerindeki kiriş ortalamak için aynalara gönderilen ofset sinyali değiştirin.
5. Yörünge tarama tarama-görüntüleme gelen mikroskop moduna geçerek izlemeye başlayabilirsiniz.
6. Geribildirim ve veri toplama etkinleştirin.

4. TrajectORY Analizi

1. Yörünge boyunca ve bir "yoğunluk halı" şeklinde, her bir zaman noktasında her bir noktada toplanan floresan görüntülemek için yazılımı kullanın. Halının boyunca alınmış yoğunluğu başka parlak nesneler ile parçacığın etkileşimi hakkında bilgi sağlar. Hem de zaman serisi şeklinde zaman foto-çoğaltıcı tüp toplanan floresan yoğunluğu (x, y ve z tarayıcılar -piezo arasında zamanla DC yerinden yani) yörünge bilgileri hem görüntülemek için yazılımı kullanın.
2. Yörünge ilgi sadece bir bölgeyi seçmek için zaman serisi temsil ve 'şiddeti halı' bilgileri kullanın.
3. Partikül yörünge seçilmiş bir bölümünün 2D çıkıntısının görüntülemek için yazılımı kullanın. Parçacık floresan yoğunluğuna göre renk kodu yörüngesini uygun kontrolleri seçiniz.
4. S görüntülemek için seçeneğini seçinfloresan yoğunluğuna göre 3D makale yörünge ve renk-kod. Mikrotubullerin boyunca lizozom hareket özelliklerini görselleştirmek için denetimlerini kullanarak 3D yörünge döndürün.

Results

Bu protokole göre hızlı 3D tek parçacık izleme floresan etiketli lizozomların değiştirmesini izlemek için değiştirilmiş iki-fotonlu mikroskop kullanılarak canlı hücreler içinde gerçekleştirilebilir. Yapılan deney endozom olgunlaştırma işlemi ⁹ sonra hücre içinde hareket eden, izole edilmiş bir lizozom izleme oluşur. Lizozomlar floresan yeşil boya kullanılarak boyandı ve 2-foton uyarma istismar 930 nm'de heyecanlandırdı. Bizim veriler 32 milisaniye (Şekil 1a) bir zamansal çözünürlüğe sahip

Discussion

Yüksek zamansal çözünürlüğe sahip üç boyutlu floresan parçacıkların yörüngeleri elde son yıllarda floresan mikroskopi teknikleri ve instrumentations, muazzam gelişmelere rağmen alanında bir meydan okuma kalmıştır. Yüksek zamansal çözünürlüğü, iki boyutta izleme parçacıkları elde edilmişse, eksenel yöne uzantısı genellikle, sistemin ¹⁰ bir frekans yanıtı şiddetli bir azalma getirir.

Bu video protokolde iki foton mikroskop kullanılarak yüksek temporal çözünürlük (bu deneyde 32 msn) ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Lysotracker DND 26	Yaşam Teknolojileri	L-7526
Tübülin izci Yeşil	Yaşam Teknolojileri	T34075
Mitotracker KIRMIZI	Yaşam Teknolojileri	M7512
Tutarlı Bumelon-ultra II TI	Tutarlı
Glan Taylor Kalsit Polarize Melles	Griot	03PTA001
Galvanometre-motor aynası	Cambridge Technologies	M 6350
Dikroik ayna	Chroma Technologies	700 DCSPXR
Motorlu sahne	ASI	MS2000
Piezo	PI	P721-LLQ
Fotoçoğaltıcı tüp	Hamamatsu	H7422P-40
Veri toplama kartı	IO tech	PCI 1128-4000
Görüntüler için görüntüleme yazılımı	LFD	Global-SimFCS