A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
وتصف هذه الورقة تطبيق cryoanalytical المجهر الإلكتروني لقياس الكمي من مجموع محتوى الكالسيوم وتوزيعه في قرار التحت خلوية في العينات البيولوجية المحددة من الناحية الفسيولوجية.
في هذه المقالة موصوفة الأدوات والتقنيات والأدوات المناسبة لقياس الكمي للمحتوى عنصري داخل الخلايا باستخدام تقنية تعرف باسم المسبار الإلكترون التحليل الدقيق (EPMA). Intramitochondrial الكالسيوم هو التركيز بشكل خاص نظرا للدور الحيوي الذي تلعبه الزائد الكالسيوم الميتوكوندريا في أمراض الاعصاب. ويستند الأسلوب على تحليل الأشعة السينية ولدت في المجهر الإلكتروني (EM) من خلال التفاعل بين شعاع الالكترون مع العينة. من أجل الحفاظ على التوزيع الأصلي من عناصر إنتشاري في الإلكترون المجهري العينات، يتطلب EPMA "cryofixation" من الأنسجة يليها إعداد cryosections سامسونج. ويتم تجميد السريع للخلايا المستزرعة أو الثقافات شريحة عضوي النمط من قبل يغرق في الإيثان السائل تجميد أو عن طريق البطولات الاربع تجميد ضد كتلة معدنية باردة، على التوالي. Cryosections أبعاده يتم قطع 80 نانومتر سميكة جافة بسكين الماس في كاليفورنيا. -16076؛ C، التي شنت على الكربون / المغلفة pioloform شبكات النحاس، وcryotransferred في البرد EM باستخدام حامل cryospecimen المتخصصة. بعد المسح ورسم الخرائط البصرية في موقع ≤ -160 درجة مئوية، والإلكترون جرعة منخفضة، cryosections المجمدة رطب هي في -100 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة ~ تجميد المجفف. وتسجل الصور على مستوى عضية من cryosections المجففة، وأيضا في جرعة منخفضة، عن طريق كاميرا CCD بطيئة مسح والمناطق التحت خلوية من الفائدة المحددة للتحليل. يتم جمع الأشعة السينية المنبعثة من رويس من قبل ثابتة ومركزة وعالية الكثافة التحقيق الإلكترون عن طريق الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) مطياف، التي تتم معالجتها بواسطة الإلكترونيات المرتبطة بها، وقدم بوصفه الطيف بالأشعة السينية، وهذا هو، مؤامرة من كثافة الأشعة السينية مقابل الطاقة. برامج إضافية تسهل: 1) تحديد مكونات عنصري بحكم "مميزة" الطاقات الذروة وبصمة؛ و 2) التحليل الكمي من خلال استخراج المناطق الذروة / الخلفية. ويختتم هذه الورقة مع اثنين من الأمثلة التي توضح نموذجيةتطبيقات EPMA، واحدة في التي وفرت تحليل الكالسيوم الميتوكوندريا البصيرة الحاسمة في آليات الاصابة excitotoxic المواد وآخر كشفت أساس مقاومة نقص التروية.
أيونات الكالسيوم ويمكن القول إن الكيان إشارة الخلية الأكثر أهمية وتنوعا في علم الأحياء، ولعب دورا أساسيا في العمليات العادية متنوعة مثل انتقال متشابك والتعبير الجيني. من ناحية أخرى، والكالسيوم المهم أيضا في موت الخلايا. على وجه الخصوص، ورفع القيود الكالسيوم هو عامل أساسي في الإصابة العصبية في المخ والشلل الرعاش والزهايمر والأمراض العصبية الأخرى 3،5. وبالتالي، فمن الأهمية بمكان أن نفهم كميا كيفية توزيع الكالسيوم داخل الخلايا، وكيف يتغير هذا المنبهات الفسيولوجية التالية أو المرضية في جسم المريض. معقد هذا الهدف من خلال حقيقة أن الكالسيوم يتم توزيعها بشكل حيوي بين دولتين المادية - الحرة في حل أو منضما إلى الركيزة - وأن تركيزات الكالسيوم الخلوية تغيير على مدى عدة أوامر من حجمها نتيجة التحفيز.
في حين أن هناك العديد من المنهجيات المتقدمة المتاحة لتحليل الابهه الكالسيوم داخل الخلايا، وتحديد تركيزات الكالسيوم الكلي في حجرات داخل الخلايا المحددة يقتصر واقعيا لنهج واحد، وهما الإلكترون التحقيق التحليل الدقيق (EPMA). EPMA هو الاسلوب الذي الأزواج مطياف الأشعة السينية إلى المجهر الإلكتروني النافذ (TEM). بندقية الإلكترون تيم يركز على القرطاسية وsubmicron التحقيق الإلكترون على المنطقة التحت خلوية من الفائدة والأشعة السينية المنبعثة عنصر محددة نتيجة القصف الإلكترون يتم جمعها وتحليلها (انظر المراجع 7، 4 للاستعراضات الفنية التفصيلية). وتشمل مزايا EPMA القرار على مستوى عضية واحدة وحساسية submillimolar. في الممارسة العملية، ومع ذلك، يتطلب EPMA cryotechniques المتخصصة والأجهزة لإعداد العينات وتحليلها. هنا، يتم وصف الأدوات والتقنيات والأدوات المناسبة لقياس الكالسيوم داخل الخلايا باستخدام EPMA. Intramitochondrial الكالسيوم ط خاصةnterest بسبب الدور الحاسم الذي الميتوكوندريا المسرحيات الزائد الكالسيوم في أمراض الاعصاب.
وقد تم تطوير النهج وصفها هنا باستخدام أدوات معينة والأدوات والبرمجيات. لأن مختبرات لن يتم استخدام نفس الإعداد التجريبية وتعميم النهج حيثما كان ذلك ممكنا.
1. التجميد السريع
الطريقة التحليلية إلى وصفها على الاطلاق يعتمدون على نهج المبردة من أجل: 1) "cryofixation" من الخلايا أو الأنسجة بطريقة تحافظ على كميا توزيع مكونات الأنسجة إنتشاري والعناصر الكيميائية كما كانت في الخلايا الحية في لحظة من تجميد ، و 2) إعداد سامسونج cryosections مناسبة للتصوير والتحليل في TEM. يتم وصف هذه التقنيات لفترة وجيزة هنا، ولكن التفاصيل اللازمة لإنتاج هذه الإجراءات في المختبرات الأخرى خارج نطاق هذا المقال. ويشار إلى قراء المهتمين المقالات الأخيرة ممتازة 9،14.
الحذر: يصف هذا القسم استخدام LIQUefied الإيثان، والتي هي شديدة الاشتعال وقابلة للانفجار، وينبغي اتخاذ الاحتياطات المناسبة. يجب أيضا أن يكون المشغل دراية النيتروجين السائل (LN 2) احتياطات السلامة، بما في ذلك معطف المختبر الواقية، والنظارات، والقفازات cryoresistant. ملاحظة: هنا وطوال، وجميع الأدوات (ملقط، الخ) تستخدم لمعالجة يجب precooled العينات المجمدة في LN 2 قبل استخدامها لتجنب ذوبان عرضي.
الخلايا المستزرعة coverslips على
تجميد السريع للشرائح الدماغ مثقف
2. Cryosectioning
التحذير: إنتاج بنجاح الجافة قطع شرائط من المقاطع سامسونج، في حين واضحة ومنطقية، يتطلب التدريب والممارسة والصبر الكبير.
3. Cryotransfer العينات إلى المجهر الإلكتروني
الصك الأساسي لEPMAفي هذا المختبر هو المجهر الإلكتروني التحليلية تعمل في 120 كيلو فولت ومجهزة لcryomicroscopy، وهذا هو، مصممة مع فراغ نظيفة، anticontaminator عينة منطقة، و2K العاشر 2K ذات حساسية عالية والكاميرا الرقمية وحامل cryotransfer العينة. التحقق مسبقا محاذاة المجهر وظروف التشغيل في كل من وسائط المنخفضة والعالية التكبير وتأكيد عمود فراغ مرضية، من الناحية المثالية ≤ 10 -7 عربة. تصل قيمتها حسب الضرورة.
4. المسح البصري للأقسام
5. تجميد التجفيف الأقسام
6. التصوير من الخلايا والعضيات
ويتم الحصول على الصور الهيكلية للأقسام تجميد المجفف في كاليفورنيا. -160 درجة مئوية كما جرعة منخفضة والصور صفر الخسارة المسجلة رقميا باستخدام كاميرا CCD بطيئة مسح 2K العاشر 2K تسيطر عليها البرامج المناسبة.
7. اقتناء أشعة الأطياف
يمكن تسجيل أطياف الأشعة السينية باستخدام أي من عدة تجارية أو مصمم خصيصا الأشعة السينية نظم تحليل تتألف بالحد الأدنى من الأشعة السينية (EDX) للكشف عن التشتت الطاقة، ويرتبط الالكترونيات نبض المعالج واقتناء وعرض برنامج متوافق. (يوصف النظام المستخدم في هذا المختبر في الجدول 1.)
8. تحليل أطياف الأشعة السينية
التحليل النوعي
الطيف EDX (الشكل 2، الشكل) هو في الأساس مؤامرة س ص كثافة الأشعة السينية مقابل الطاقة. أطياف تحتوي على معلومات نوعية وكمية عن التركيب العنصري رحلل الحجم، في أن الطاقة "سمة" من ذروة يحدد عنصر مما أدى إلى أن ذروة في حين يعكس شدة مبلغ ذلك العنصر. قمم مميزة ركوب على رأس خلفية متفاوتة ببطء، و "التواصل". (يناقش أسطورة الشكل 2 مزيد من التفاصيل البارزة EDX الأطياف.) يتم تعريف الطاقة من الفتحات الذروة للجدول الدوري كامل بواسطة بنية إلكترونية معروفة من العناصر، وبالتالي جميع الروابط البرمجيات EDX إلى قاعدة البيانات التي تحدد مكونات تلقائيا وتحليلها. في سياق الفسيولوجية، وعناصر من المصلحة العامة التي هي مناسبة تماما لتحليل EDX تشمل نا (K α 1.04 في كيلو)، P (2.01 كيلو)، K (3.31 كيلو)، والكالسيوم (3.69 كيلو).
تحليل كمي
يتكون التحليل الكمي من EDX أطياف استخراج منطقة متكاملة من القمم التي تم تحديدها وتحويل هذه القيمة إلى تركيز. للتحليل البيولوجي، والمنهج الذي هو قاعة الأسلوب الذروة / متصلة 4،7،10، الذي يستفيد من حقيقة أن شدة متصلة (المحددة أعلاه وفي الشكل 2) يتناسب مع الكتلة الجافة من حجم تحليلها . وبالتالي، فإن نسبة الذروة المنطقة منطقة / متصلة، بالمقارنة مع نفس النسبة في أطياف معايير تكوين المعروفة، يحدد تركيز في المقصورة الخلوية المستهدفة. لاحظ أن هذا النهج يتيح تركيزات في وحدات من الشامات في الوزن، وعادة ما أعرب ملمول / كغ من الوزن الجاف. هذه الوحدة هي غير عادية وللتفسير قد تتطلب التحويل إضافية، على سبيل المثال، ملمول / لتر الوزن الرطب أو مليمول / ملغ من البروتين، كما هو موضح شsewhere (4،10).
الحفاظ على خلايا الدماغ عادة إصابة excitotoxic المواد نتيجة لإطلاق ناقل عصبي المرضية التي تحدث تحت ظروف الدماغية. كان EPMA حاسمة لاكتشاف كيفية قدرة الميتوكوندريا الخلايا العصبية لعزل كميات هائلة من الكالسيوم وراء آلية الإصابة. صورة مجهرية الإلكترون في الشكل 3 يوض?...
المنهج التحليلي القائم على المجهر الالكتروني المقدمة هنا يسمح للكشف، وتحديد، وتحديد الكميات من عدة عناصر ذات الأهمية البيولوجية، بما في ذلك نا، K، P، وخاصة الكالسيوم. ويمكن إجراء هذه التحاليل في التحت خلوية، أي داخل عضية، القرار بسبب القدرة على اكتشاف وتحديد هي...
تقرير من الكتاب أي تضارب في المصالح.
نود أن نشكر السيدة كريستين A. الشتاء للحصول على مساعدة فنية ممتازة. وأيد هذا العمل من قبل برنامج العلوم العصبية الأساسية للبرنامج NINDS جماعية البحوث، المعاهد الوطنية للصحة (Z01 NS002610).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
REAGENTS/MATERIALS | |||
Thermanox plastic coverslips | Thermo Fischer Scientific | 72280 | |
Culture inserts | BD Falcon | 353090 | For 6-well plates |
Cryopins | Leica Microsystems | 16701952 | Grooved |
Wood applicators | EM Sciences | 72300 | |
Folding EM grids | Ted Pella | 4GC100/100 | 100 mesh |
Indium foil | Alfa Aesar | 13982 | 0.25 mm thick |
EQUIPMENT | |||
Plunge freezing device | Leica Microsystems | KF-80 | |
Slam freezing device | LifeCell | CF-100 | |
Ultramicrotome | Leica Microsystems | UC6 | |
Cryoattachment for microtome | Leica Microsystems | FC6 | |
Diamond cryotrimming tool | Diatome | Cryotrim 45 | |
Diamond cryoknife | Diatome | Cryo 35 | |
Antistatic device | Diatome | Hauf Static Line | |
Cryo electron microscope | Carl Zeiss Microscopy | EM912 Omega | |
EM cryo specimen holder | Gatan | CT3500 | |
Slow-scan CCD camera, 2k x 2k | Troendle (TRS) | Sharpeye | |
Image acquisition software | Olympus SIS | iTEM suite | |
ED x-ray detector | Oxford Instruments | Linksystem Pentafet | |
Pulse Processor | Oxford Instruments | XP-3 | |
PCI backplane card | 4pi Systems | Spectral Engine II | |
Desktop computer | Apple | Any OS9-compatible model | |
X-ray analysis software | NIST | DTSA, DTSA II | |
Spreadsheet software | Microsoft | Excel | |
|
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved