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We describe here a combination of the glass-supported lipid bilayer technique of forming immunological synapses with the super-resolution imaging technique of stimulated emission depletion (STED) microscopy. The goal of this protocol is to provide users with the instructions necessary to successfully carry out these two techniques.
The glass-supported planar lipid bilayer system has been utilized in a variety of disciplines. One of the most useful applications of this technique has been in the study of immunological synapse formation, due to the ability of the glass-supported planar lipid bilayers to mimic the surface of a target cell while forming a horizontal interface. The recent advances in super-resolution imaging have further allowed scientists to better view the fine details of synapse structure. In this study, one of these advanced techniques, stimulated emission depletion (STED), is utilized to study the structure of natural killer (NK) cell synapses on the supported lipid bilayer. Provided herein is an easy-to-follow protocol detailing: how to prepare raw synthetic phospholipids for use in synthesizing glass-supported bilayers; how to determine how densely protein of a given concentration occupies the bilayer's attachment sites; how to construct a supported lipid bilayer containing antibodies against NK cell activating receptor CD16; and finally, how to image human NK cells on this bilayer using STED super-resolution microscopy, with a focus on distribution of perforin positive lytic granules and filamentous actin at NK synapses. Thus, combining the glass-supported planar lipid bilayer system with STED technique, we demonstrate the feasibility and application of this combined technique, as well as intracellular structures at NK immunological synapse with super-resolution.
免疫突触(IS)位于在对细胞的活化和功能1临界结。它是由抗原呈递细胞介导的免疫是进行主平台。突触形成的最早微观研究利用了细胞-细胞共轭系统2。这种方法的主要限制是,大部分的结合物将被视为"轮廓",因为它是,因而限制了突触结构本身的观察者的图。 1999年,达斯汀实验室利用玻璃支持的脂质双层(SLB)技术3,已被早先由麦康纳实验室4,5率先解决了这一限制。这种方法布置有利于在玻璃支承平面脂表面,在其中蛋白质可附连性和自由在两个维度移动的抗原呈递细胞(APC)的。使用这种方法,达斯汀和他的同事们能够直接达到窥探吨他突触使用高分辨率荧光显微镜,并在第一时间拿到了"脸对脸"看IS的结构。
与使用SLB系统,与该IS可以可视化的细节已经被限制仅由当前的成像技术6-8的局限性。使用标准的照明技术,最小分辨率( 即,两个不同的对象之间的最小距离,其中它们可以区分)已<的瑞利准则9的基础上,为200nm。此限制阻碍了非常细的,分子尺度结构构成突触的摄像,并且直到超分辨率成像技术10-12的发展,这些结构的可视化只限于用电子显微镜固定细胞成像。
与多种超分辨率技术,诸如SIM卡,最近问世(结构照明显微镜),PALM(光敏定位显微镜),STORM(随机情形光学显微重建)和STED 10-12,调查人员现在能够研究这些突触结构在前所未有的细节,这反过来又提供了IS日益明确的认识。 STED显微镜的优点13之前已被描述。在这里,我们描述了超分辨率成像STED显微镜装有新开发的660纳米激光耗竭。相对于传统的592纳米的耗尽激光器,660nm的激光可以进行更广泛的选择的荧光染料(参见http://nanobiophotonics.mpibpc.mpg.de/old/dyes/),尤其是这些红色荧光团。
其他出版物所描述的抗体包被的载玻片13,14的NK细胞突触的STED成像。在这里,SLB系统结合了超分辨率显微镜STED研究NK细胞的突触。这种技术的优点是通过抗体的是一个流体镶嵌,其中嵌入的表面蛋白可以在一个平面二维表面(xy面)自由移动涂覆的滑动。这更加忠实地模仿目标小区的有机和移动表面,从而更好地概括一个生理学相关免疫突触的形成。
该协议的目的是通过组合SLB系统和超分辨率STED显微镜,以提供最终用户与NK细胞如何图象免疫突触的详细描述。它将提供必要的步骤,最终用户:制备脂质体,构建蛋白质包埋双层,确定对脂质双层的蛋白质浓度,并使用STED显微镜获得超分辨率图像。这些技术不限于免疫学领域,并且可以在各种学科中被广义地使用。
1.准备脂质体
2.透析脂质体
在脂质双层3.测定抗体密度
4.分离和培养人类NK细胞
5.装配玻璃平面支持脂质双层
6.成像的NK突触的脂质双分子层使用STED的
图1显示了对脂质双层的抗体密度的结果。其原理是利用标准珠使MESF与MFI的通过流式细胞仪(A)的标准曲线。样品系列的MFI是使用标准曲线转化为MESF。在脂双层的抗体密度是线性相关的抗体浓度(B)。 图 NK突触2示出了三色STED图像上玻璃支撑平面脂双层。在脂双层的抗CD16抗体的积累,触发F-肌动蛋白的形成和偏振,并通过F-肌动蛋白网状在免疫突触中NK细胞的焦点面板穿孔的渗透。使用这种组合方式,人们可以清晰地观察到荧光的SLB,这直接反映了CD16对NK细胞集群内标记的抗CD16的微簇。相比于常规的共焦图象,CD16 CENTRA的结构l集群更容易因耗尽周围的荧光看出端倪,在STED图像。此外,肌动蛋白细胞骨架的超微结构看出与显著提高分辨率。与以前的观察16,17,穿孔阳性裂解颗粒被认为定位在低F-肌动蛋白密度的STED形象,一个关键的细节,大多是输在共聚焦图像的区域。
图1.密度对脂质双层3G8抗体。(A)的 MESF和MFI为标准系列之间的线性相关性。(B)的蛋白质的密度和浓度为样品蛋白质稀释系列的线性相关性,显示出每荧光标记蛋白单体的数量单位面积作为增加的浓度的脂质包衣SI的功能安洁莉卡珠。
NK突触对 平面脂双层图2. STED成像。原发性NK细胞刺激的SLB含有生物素化的荧光标记的抗CD16(红),固定,透化,然后染色用鬼笔环肽(蓝色)和抗F肌动蛋白(绿色)。个别电池首先在正常共焦成像的设置,然后STED设置。共聚焦和STED图像用惠更斯软件解卷积。比例尺,1微米。 点击此处查看该图的放大版本。
目前的研究的新颖之处在于,它结合了SLB技术与STED研究NK细胞的突触。以前的研究已经拍摄到的脂质双层与TIRF研究T细胞突触形成8和信号分子贩卖上质膜6。其他人使用抗体包被的载玻片13,14描述的NK细胞突触STED成像。本文中进一步描述的混合方法,通过成像NK细胞突触具有增强清晰度的脂质双分子层表面赋予了超分辨率成像,建立在这些努力其中APC的更好的模型动态表面。
虽然SLBs的是人工膜缺乏骨架,脂筏,和其他的配体实际的靶细胞或装甲运兵车占有,这种技术可以概括重要的功能,如移动性和配体的方向。这使得SLB系统,作为在解剖吨的还原方法个别受体和配体的他的贡献形成了IS和IS的动态。 SLBs中的最重要的特点是,研究人员可以将这种技术具有高分辨率成像方法,如激光共聚焦和TIRF显微镜。 STED显微镜的推出进一步增加了这种优势,提供了前所未有的见解IS研究及其临床应用。
这个系统的一个潜在的批评是,所述的SLB没有充分模仿的APC的复杂表面,从而潜在地非生理解剖特征引起在所得突触。虽然这是事实,表面分子上的SLB有限剧目不完全概括的APC的不均匀填充面,这个限制也可以是有利的,因为它允许调查,以确定个别的受体和配体相互作用对突触形成的影响。
牛逼这里是在过程中的几个关键步骤。其中最关键的是脂质体的该氧化经过不断利用氩气置换中的氧气管和溶液,可以防止诸如在步骤1.10,2.6和2.11。脂质的氧化会导致降低脂质的流动性,从而妨碍表面蛋白的自由移动,并参与突触结构的能力。同样地,它也是重要的通过冻干(步骤1.2),以除去所有氯仿中的脂质体中。在脂双层的蛋白质浓度的测定,它是重要的,以第一分散硅珠粒成均匀的悬浮液不含簇。如果需要的话,珠超声处理可以应用。在组装的SLB,在早期步骤(5.1-5.8),其中所述盖玻片清洗,滴被放置,和盖玻片固定是非常重要的。在上述任何一个错误会需要开始实验了(从第5节的开头)。出于这个原因,它是很好的做法,更清洁盖玻片比将需要节省时间在发生事故的。
与该系统工作时,非群集是最常见的问题。如果,在最后步骤中可视化的细胞时,1未能找到任何荧光突触,有可以采取几个步骤。另一个污渍的同源细胞表面受体可以被添加到腔室,以验证该细胞还没有形成与双层的突触,而细胞可粘附的非特异性的玻璃盖玻片或双层表面,突触-涉及表面蛋白应显示为不同的簇,在小区双层界面的平面中,而未接合表面蛋白应该出现弥漫染色周围的小区的周边。应该方法失败,应检查通过流式细胞仪的细胞,以确保特定的标记1是希望研究中表达足够丰富细胞表面上。某些表面prote项是已知的下调超过长期在体内培养。
虽然该协议的细节具体如何可视化NK细胞突触形成,所述SLB系统可用于研究任何免疫细胞简单地由主配体的在步骤5.11的取代可以想象突触形成。多个配体,也可以同时加入。一也不必使用链霉抗生物素系统,为双层内附着的表面蛋白。镍NTA:组氨酸相互作用也是可行的。但是,由于高强度的链霉亲和特异性:生物素相互作用,我们的实验室喜欢这个系统。一个也可以变化,在步骤5.13中加入到双层从规定的密度细胞的浓度,以及在随后的孵育期,以观察突触在成熟的不同阶段的持续时间。这甚至可以现场完成,虽然这当然不包括可视化细胞内海峡的可能性uctures(除非它们已经标有一个稠合的荧光标记;我们的实验室使用几个这样的改变的细胞系)。由于高程度的定制可能在这个协议中,可以使用基本的SLB技术中,随着STED成像,以解决在免疫学,细胞生物学,生物化学和问题的十分广泛的多样性,包括基本的脂质动力学15,突触形成16,细胞内信号17,和肿瘤细胞转移18。
The authors have nothing to disclose.
We thank Emily Mace and Malini Mukherjee for imaging and deconvolution analysis. Work in the Liu laboratory was supported in part by the Baylor-UTHouston Center for AIDS Research Core Support Grant number AI36211 from the National Institute of Allergy and Infectious Diseases, the Caroline Wiess Law Fund for Research in Molecular Medicine, Texas Children’s Hospital Pediatric Pilot Research Fund, and the Lymphoma SPORE Developmental Research Program from Baylor College of Medicine and the Methodist Research Institute.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
18:1 (Δ9-Cis) PC (DOPC) 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine | Avanti | 850375C | Liposome preparation |
18:1 Biotinyl Cap PE 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-(cap biotinyl) (sodium salt) | Avanti | 870273C | Liposome preparation |
Argon gas, compressed | Airgas | UN1006 | Liposome preparation |
A lyophilizer | Labconco | Freezone 7740020 | Liposome preparation |
Lyophilizer tubes | Labconco | 7540200 | Liposome preparation |
Chromatography Columns | Santa Cruz | sc-205558 | Liposome preparation |
1 M Tris pH 8.0 | Ambion | AM9856 | Liposome preparation |
5 M NaCl | Ambion | AM9759 | Liposome preparation |
Octyl-β-D-glucopyranoside | Sigma-Aldrich | O1008 | Liposome preparation |
Dialysis tubing | Spectrum Labs | 132676 | Liposome preparation |
96-well V-bottom polystyrene plate (untreated) | Corning | 3896 | antibody density determination |
Non-functionalized silica beads | Bangs Laboratories | SS06N | antibody density determination |
FACS tubes | Fisher Scientific | 14-959-2A | antibody density determination |
QuantumTM MESF beads | Bangs Laboratories | Variable | antibody density determination |
Casein | Sigma-Aldrich | C0875 | Lipid bilayer preparation |
HEPES buffered saline + 1% HSA | Homemade | Lipid bilayer preparation | |
Streptavidin | Life technologies | 434301 | Lipid bilayer preparation |
Fluorescently-labeled biotinylated protein | Homemade | Lipid bilayer preparation | |
ibidi Sticky-Slide VI 0.4 | ibidi | 80608 | Lipid bilayer preparation |
25x75 mm glass coverslip | ibidi | 10812 | Lipid bilayer preparation |
Hydrogen peroxide (30%) | Fisher Scientic | BP2633 | Lipid bilayer preparation |
Sulfuric acid | Sigma-Aldrich | 258105 | Lipid bilayer preparation |
D-Biotin | Invitrogen | B20656 | Lipid bilayer preparation |
Lens paper | VWR | 54826-001 | For imaging |
Type F Immersion Oil | Leica | 11 513 859 | For imaging |
A Leica TCS STED microscope | Leica | For imaging |
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