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Method Article
* 这些作者具有相同的贡献
这项研究显示了在导致美洲锥虫病的病原体克氏锥虫的三个体外生命周期阶段进行超微结构扩增显微镜检查的详细方案。我们包括用于细胞骨架蛋白和泛蛋白质组标记的优化技术。
我们在这里描述了超微结构扩展显微镜 (U-ExM) 在 克氏锥虫中的应用,该技术可以提高细胞或组织的空间分辨率以进行显微镜成像。这是通过使用现成的化学品和常见的实验室设备对样品进行物理扩增来实现的。
美洲锥虫病是由 克氏锥虫引起的广泛而紧迫的公共卫生问题。该病在拉丁美洲很普遍,由于移民增加,该病已成为非流行地区的一个重大问题。 T. cruzi 的传播是通过属于 Reduviidae 和 Hemiptera 家族的噬血昆虫媒介发生的。感染后, T. cruzi 无毛体在哺乳动物宿主体内繁殖并分化为锥鞭毛体,即非复制性血流形式。在昆虫媒介中,锥鞭毛体转化为上鞭毛体并通过二元裂变增殖。生命周期阶段之间的分化需要对细胞骨架进行广泛的重排,并且可以在实验室中完全使用不同的细胞培养技术进行重建。
我们在这里描述了 U-ExM 在克氏锥虫的三个体外生命周期阶段中应用的详细方案,重点是优化细胞骨架蛋白的免疫定位。我们还优化了 N-羟基琥珀酰亚胺酯 (NHS) 的使用,这是一种泛蛋白质组标记,使我们能够标记不同的寄生虫结构。
Boyden 等人于 2015 年首次描述了扩增显微镜 (ExM) 1。这是一种成像方案,传统显微镜可以通过该方案实现低于衍射极限的空间分辨率。由于样品的物理放大而获得这种更高的分辨率。为了实现这一点,荧光标记的分子与水凝胶交联,随后水凝胶与水凝胶各向同性膨胀。由于这种扩展,信号在所有三个维度上几乎各向同性地分离。该方法采用低成本化学品,使用传统(共聚焦)显微镜可实现约 65 nm 的空间分辨率,大约是共聚焦显微镜标准分辨率(约 250 nm)的四倍1。
使扩增显微镜在许多生物领域的使用成为可能的下一个里程碑是免疫荧光标记与常规抗体的适应2。最初发布的 ExM 方案的另一种改编是蛋白质组的放大分析 (MAP)3。该方法在样品水凝胶浸泡之前引入了高浓度丙烯酰胺和多聚甲醛的使用,以防止蛋白质内部和蛋白质间交联,从而更好地保存样品的蛋白质含量和亚细胞结构。该替代方案经过优化,以通过使用较低浓度的固定剂(甲醛/多聚甲醛和丙烯酰胺)来增强分离细胞器整体超微结构的保守性;这种方法被称为超微结构扩增显微镜 (U-ExM)4。
为了获得更高的分辨率,也有报道称 ExM 与超分辨率显微镜技术(包括受激发射耗竭显微镜或单分子定位显微镜)相结合,以达到低于 20 nm 的分辨率5。
ExM 的使用在神经科学和细胞骨架研究6 领域已得到广泛报道,但只有少数研究对寄生原生生物进行了研究。我们的实验室是第一个报道 U-ExM 在克氏锥虫 7 中的应用的实验室。基础方案主要基于弓形虫、疟原虫 ssp. 和布鲁氏锥虫 8,9,10,11 的先前 U-ExM 报告。
ExM 的最大优势之一是其模块化特性,这为适应不同的生物样品提供了极大的灵活性。该方案可分为多个步骤(如固定、防止交联或凝胶化),用户可以轻松调整以满足其实验要求。此外,可以修改此管道以增强与模式生物的兼容性或实现特定的分辨率。因此,ExM 为先进和非先进光学系统提供了巨大的潜力,确保未来有更广泛的应用。
美洲锥虫病,也称为美洲锥虫病,是由原生动物寄生虫克 氏锥虫引起的拉丁美洲地方病。这种寄生虫的生命周期很复杂,涉及哺乳动物的两个发育阶段和昆虫宿主(锥蝽科的成员)的两个发育阶段,这是这种疾病的生物载体。美洲锥虫病属于世界卫生组织列出的被忽视的热带病组,是拉丁美洲的一个重大经济和社会问题。流行病学研究估计,全世界有 800 万人患有美洲锥虫病,每年有 10,000 多人死亡。这些数字说明了美洲锥虫病作为全球公共卫生问题的重要性。近几十年来,美洲锥虫病的地理分布发生了变化,由于迁移的增加,许多感染者现在居住在全球的大城市地区,而最初发现的拉丁美洲主要是农村地区12。
克氏锥虫的发育阶段在其整个生命周期中都不同,可以完全在体外复制。上鞭毛体是昆虫媒介中的复制形式,它们在细胞体的中央区域有一个球形的细胞核,在相对于细胞核的前部区域有一个条形的动粒体(一种脱粒质体特有的含线粒体 DNA 的结构),具有游离的鞭毛。锥鞭毛体是感染性的、非复制性的形式,具有细长的细胞核、圆形的后部动质体和沿寄生虫的整个长度附着在质膜上的鞭毛。无鞘体是细胞内复制形式;它们在中央区域有一个细胞核,在细胞体的前部有一个杆状动粒体,鞭毛缩小。寄生虫对不同环境的适应性反映了这些形态变化。还值得一提的是,这个生命周期涉及对称划分和不同的过渡发展阶段13。在分化过程中,锥虫的细胞骨架起着关键作用。这种结构是由浆膜下方排列有序的稳定微管阵列的蝶结下微管紧身胸衣形成的。此外,这些生物体中存在鞭毛杆,这是一种平行并连接到鞭毛轴丝14 的晶格状结构。细胞周期阶段的精确细胞骨架组织和核结构变化涉及锥虫特有的独特基因调控机制,使其成为细胞生物学研究的有趣模型。
鉴于 克氏锥 虫和其他原生动物寄生虫的体积小,U-ExM 为分析这些重要病原体的结构特征提供了极好的工具。如前所述,该技术对 克氏锥虫 的适用性由 Alonso7 博士首次验证。本报告详细介绍了完整的 U-ExM 方案,重点是 T. cruzi 不同生命周期阶段细胞骨架蛋白的免疫定位。此外,我们还优化了 N-羟基琥珀酰亚胺酯 (NHS) 的使用,这是一种泛蛋白质组标记,使我们能够标记各种寄生虫结构。此外,还描述了一种获得寄生虫三个阶段的 体外 方法。
注意: 图 1 说明了完整的实验设计。
图 1:克氏锥虫三个体外生命周期阶段的 U-ExM 工作流程。请单击此处查看此图的较大版本。
1. 聚-D-赖氨酸包被的盖玻片的制备
2. 溶液制备
3. 寄生虫培养物的制备
4. 进行防交联(第 1 天)
5. 对样品进行凝胶化
图 2:凝胶化步骤细节。 (A) 潮湿室的组装。(B) 将盖玻片滴到含有 TEMED 和 APS 的单体溶液上进行凝胶化。(C) 为成像而组装的凝胶的示意图。 请单击此处查看此图的较大版本。
6. 使凝胶化样品变性并进行各向同性膨胀
7. 对目标蛋白进行荧光标记(第 2 天)
8. 成像和图像处理(第 3 天)
如果协议已正确执行(图 1),样品将显示为平面和半透明凝胶,在水中可以膨胀至 4-4.5 倍(图 3A)。这种扩展提供了约 70 nm 的有效分辨率,该分辨率可能因最终膨胀因子和所采用的成像系统而异。在共聚焦显微镜中进行第二次膨胀过程和图像采集后,我们能够观察到大约 4.5 的膨胀因子。为了量化这种膨胀,我们测量了步骤...
超微结构膨胀显微镜是一种通过将生物样品物理膨胀到其原始尺寸的几倍来获得生物样品高分辨率图像的技术。U-ExM 协议涉及几个关键步骤,必须仔细执行这些步骤才能获得最佳结果4。首先,必须用 CP 试剂固定样品并包埋在可膨胀的水凝胶基质中。CP 溶液中存在的甲醛与丙烯酰胺的游离共价键相互作用,以防止与样品形成不需要的键。在该协议中,我?...
作者没有需要披露的利益冲突。
我们感谢 Dolores Campos 协助 Vero 细胞培养和 Romina Manarin 协助克 氏锥虫 培养。这项工作得到了 Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica、阿根廷科学和创新生产部 (PICT2019-0526)、Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (PIBAA 1242) 和英国研究委员会 [MR/P027989/1] 的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.22 micrometers sterile syringe filters PES | Membrane solutions | SFPES030022S | |
1 L beaker | Schott Duran | 10005227 | |
1.5-mL SPINWIN Micro Centrifuge Tube | Tarson | T38-500010 | |
10 mL disposable sterile serynge | NP | 66-32 | |
10 mL serological pipette sterile | Jet Biofil | GSP211010 | |
12-mm coverslips | Merienfeld GmbH | 01 115 20 | Round coverslips |
12-well plates | Jet Biofil | TCP011012 | |
22-mm coverslips | Corning | 2845-22 | Square coverslips |
24-well plates | Jet Biofil | TCP-011-024 | |
250 mL beaker | Schott Duran | C108.1 | |
3 mL Pasteur pipette | Deltalab | 200037 | |
35-mm glass bottom dishes | Matsunami glass ind | D11130H | |
4′,6-Diamidine-2′-phenylindole dihydrochloride | Sigma Aldrich | D9542 | DAPI |
5 ml serological pipette sterile | Jet Biofil | GSP010005 | |
6-well plates | Sarstedt | 83.3920 | |
Acrilamide | BioRad | 1610101 | |
Ammonium persulfate | Sigma Aldrich | A3678-25G | APS |
ATTO 647 NHS ester | BOC Sciences | F10-0107 | For pan-proteome labelling |
Biosafty Cabinet | Telstar | Bio II A/P | |
Bovine Sodium Albumine | Sigma Aldrich | A7906 | BSA |
CO2 Incubator | Sanyo | MCO-15A | |
Confocal Microscope | Zeiss | LSM 880 | |
Disposable Petridish | Tarsons | 460095 | 90 mm diameter |
DMEM, High Glucose | Thermo Fisher Cientific | 12100046 | Powder |
Electronic digital caliper | Radar | RADAR-SLIDE-CALIPER | |
Ethanol Absolute | Supelco | 1,00,98,31,000 | |
Fetal Calf Serum | Internegocios SA | FCS FRA 500 | Sterile and heat-inactivated |
Fiji image processing package | ImageJ | doi:10.1038/nmeth.2019 | |
Formaldehyde 37% | Sigma Aldrich | F8775 | FA |
Glass Petridish | Marienfeld Superior | PM-3400300 | 60 mm diameter |
Glucosa D(+) | Cicarelli | 716214 | |
Glutaraldehyde 70% | Sigma Aldrich | G7776 | |
Goat anti-Mouse IgG Secondary Antibody Alexa Fluor 555 | Invitrogen | A-21422 | |
Goat anti-Rabbit IgG Secondary Antibody FICT | Jackson Immunoresearch | 115-095-003 | |
Graduated cylinder | Nalgene | 3663-1000 | |
Graduated glass flask | Glassco | GL-274.202.01 | 100 mL |
Heating Block | IBR | Made in house | |
Hemin | Frontier Scientific | H651-9 | |
Hydrochloric acid 36.8-38.0% | Ciccarelli | 918110 | |
Ice bucket | Corning | 1167U68 | |
Incubator | Tecno Dalvo | TOC130 | |
Liver Infusion | Difco | 226920 | |
Magnetic stirrer and heater | Lab companion | HP-3000 | |
Metal spatula | SALTTECH | 200MM | |
Metal tweezers | Marienfeld Superior | PM-6633002 | |
Methanol absolut | Cicarelli | 897110 | |
Microcentrifuge tube 1.5 mL | Tarson | 500010-N | |
Microscopy grade paper KimWipes | Kimtech Science | B0013HT2QW | |
Milli-Q water sistem | Merk Millipore | IQ-7003 | |
mouse anti- alpha tubulin clone DM1A | Sigma Aldrich | T9026 | |
mouse anti-PFR | Purified antibodies | Donated by Dr. Ariel Silber (USP) | |
N,N´-methylenbisacrilamide | ICN | 193997 | BIS |
Na2HPO4 | Cicarelli | 834214 | |
Neubauer chamber | Boeco | BOE 01 | |
p1000 pipette | Gilson | PIPETMAN P1000 | |
p1000 pipette tips | Tarson | TAR-521020B | |
p20 pipette | Gilson | PIPETMAN P20 | |
p20 pipette tips | Tarson | TAR-527108 | |
p200 pipette | Gilson | PIPETMAN P200 | |
p200 pipette tips | Tarson | TAR-521010Y | |
Paraformaldehyde | Sigma Aldrich | P6148 | PFA |
pH / ORP / °C meter | HANNA Instruments | HI 2211 | |
Poly-D-Lysine 0.1% | Sigma Aldrich | P8920 | |
Potassium Chloride | Cicarelli | 867212 | KCl |
Razor blade | Printex | BS 2982:1992 | |
Sealing FIlm "Parafilm M" | Bemis | PM996 | |
Sodium Acrilate | Sigma Aldrich | 408220-25G | SA |
Sodium Bicarbonate | Cicarelli | 929211 | NaHCO3 |
Sodium Chloride | Cicarelli | 750214 | NaCl |
Sodium Dodecyl Sulfate | BioRad | 1610302 | SDS |
Sodium Hidroxide | Merk | 1-06498 | NaOH |
Sorvall ST 16 Centrifuge | Thermo Fisher Scientific | 75004380 | |
T-25 flasks | Corning | 430639 | |
TEMED | Invitrogen | 15524-010 | |
Tissue paper | Elite | ||
Triptose | Merck | 1106760500 | |
Tris | BioRad | 1610719 | |
Tween-20 | Biopack | 2003-07 | Polysorbate 20 |
Vaccum pump | Silfab | N33-A | |
Vero cells | ATCC | CRL-1587 | |
Vortex MIxer | Dragon Lab | MX-S |
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