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Method Article
Dieses Papier beschreibt die Anwendung von cryoanalytical Elektronenmikroskopie auf die quantitative Messung der Gesamtkalziumgehalt und die Verteilung auf subzellulärer Auflösung in physiologisch definierte biologische Proben.
In diesem Artikel werden die Werkzeuge, Techniken und Instrumente für quantitative Messungen der intrazellulären Elementgehalt falls unter Verwendung der Technik, die als Elektronenstrahl-Mikroanalyse (ESMA) bekannt sind, beschrieben. Intramitochondrialen Kalzium ist ein besonderer Schwerpunkt wegen der kritischen Rolle, dass die mitochondriale Calciumüberladung spielt bei neurodegenerativen Erkrankungen. Die Methode basiert auf der Analyse der Röntgenstrahlen erzeugt in einem Elektronenmikroskop (EM) durch Wechselwirkung eines Elektronenstrahls mit der Probe berechnet. Um die native Verteilung der diffusionsfähigen Elemente in der Elektronenmikroskopie Proben zu erhalten, erfordert ESMA "Kryofixation" von Gewebe, gefolgt von der Herstellung von ultradünnen Gefrierschnitten. Schockgefrieren von kultivierten Zellen oder organotypischen Kulturen wird durch Eint Einfrieren in flüssigem Ethan oder durch Einfrieren Slam gegen einen kalten Metallblock bzw. durchgeführt. Cryoschnitte nominell 80 nm dick sind trocken mit einem Diamantmesser bei ca. geschnitten. -16076, C, auf Kohlenstoff / PIOLOFORM beschichteten Kupfergitter montiert und cryotransferred in eine Kryo-EM mit Hilfe eines speziellen cryospecimen Halter. Nach der visuellen Mapping-Umfrage und die Lage bei ≤ 160 ° C und niedriger Elektronendosis, sind tiefgefrorenen Gefrierschnitten gefriergetrockneten bei -100 ° C ~ 30 min. Organell Stufenbilder von getrockneten Kryoabschnitte aufgezeichnet sind, auch bei niedrigen Dosis mittels einer Slow-Scan-CCD-Kamera und subzellulären Regionen von Interesse für die Analyse ausgewählt. Röntgenstrahlen von einem stationären, konzentriert, mit hoher Intensität Elektronensonde von ROIs emittiert werden, von einer energiedispersiven Röntgenanalyse (EDX)-Spektrometer, um die zugehörige Elektronik verarbeitet und als Röntgenspektrum präsentiert gesammelt, das heißt, ein Grundstück von Röntgenintensität vs Energie. Zusätzliche Software erleichtert: 1) Identifizierung von elementaren Komponenten durch ihre "charakteristisch" Spitzen Energien und Fingerabdruck, und 2) die quantitative Analyse durch Extraktion der Peakflächen / Hintergrund. Das Papier schließt mit zwei Beispiele, die veranschaulichen typischeEPMA-Anwendungen, in denen eine mitochondriale Calciumanalyse vorgesehen kritischen Einblick in Mechanismen der exzitotoxischen Schädigung und eine andere, die die Grundlage der Ischämie Beständigkeit zeigte.
Calciumionen sind wohl die wichtigsten und vielseitigsten Zellsignalisierungseinheit in der Biologie, spielen eine wesentliche Rolle in der normalen Prozesse so vielfältig wie die synaptische Transmission und Genexpression. Auf der anderen Seite, ist Calcium in Zelltod ebenso wichtig. Insbesondere ist ein Schlüsselfaktor in der neuronalen Verletzungen in der Schlaganfall-Kalzium Deregulierung, Parkinson, Alzheimer und anderen neurodegenerativen Erkrankungen 3,5. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, um quantitativ zu verstehen, wie Calcium in den Zellen verteilt und wie diese Veränderungen nach physiologischen oder pathophysiologischen Stimuli. Frei in Lösung oder an ein Substrat gebunden - - und das zelluläre Calciumkonzentrationen über mehrere Größenordnungen als Folge der Stimulation verändern Dieses Ziel wird durch die Tatsache, dass Kalzium wird dynamisch zwischen zwei physikalische Zustände verteilt kompliziert.
Zwar gibt es mehrere Methoden für die erweiterte Analyse fr verfügbaree intrazellulären Calcium ist die Bestimmung der Gesamtcalciumkonzentrationen in definierten intrazellulären Kompartimenten realistisch auf einem Ansatz, nämlich Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) begrenzt. EPMA ist eine Technik, die Paare ein Röntgenspektrometer mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Die TEM-Elektronenkanone konzentriert sich eine stationäre, Submikron Elektronensonde auf subzellulärer Region von Interesse und den elementspezifischen Röntgenstrahlen als Folge der Elektronenbeschuss emittiert werden, werden gesammelt und analysiert (siehe Referenzen 7, 4 für technische Detailbewertung). Vorteile der ESMA sind einzelne Organellen-Level-Auflösung und Empfindlichkeit submillimolaren. In der Praxis jedoch, ESMA erfordert spezielle cryotechniques und Instrumente für die Probenvorbereitung und Analyse. Hier werden die Werkzeuge, Techniken und Instrumente für die Messung von intrazellulären Kalzium mittels ESMA entsprechende beschrieben. Intramitochondrialen Kalzium ist besonders interest wegen der entscheidenden Rolle, dass die mitochondriale Calciumüberladung spielt bei neurodegenerativen Erkrankungen.
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Der hier beschriebene Ansatz wurde mit spezifischen Instrumente, Tools und Software entwickelt. Da Labors werden nicht mit der gleichen Versuchsanordnung werden der Ansatz verallgemeinert, wo möglich.
1. Schnelles Einfrieren
Die Analysemethode beschrieben ist absolut abhängig von kryogenen Ansätze: 1) der "Kryofixation" von Zellen oder Geweben in einer Weise, die quantitativ bewahrt die Verteilung der diffundierbaren Gewebekomponenten und chemische Elemente wie sie in lebenden Zellen zum Zeitpunkt des Einfrierens und 2) die Herstellung von ultradünnen Gefrierschnitten geeignet für in einer TEM-Abbildung und Analyse. Diese Techniken werden hier kurz beschrieben, aber notwendigen Angaben, um diese Verfahren in anderen Laboratorien reproduzieren würde den Rahmen dieses Artikels. Interessierte Leser sind, exzellenten Artikeln 9,14 bezeichnet.
Achtung: Dieser Abschnitt beschreibt die Verwendung von liquefied Ethan, die leicht entzündliche und explosions ist, entsprechende Vorkehrungen getroffen werden sollten. Betreiber müssen ebenfalls mit flüssigem Stickstoff vertraut sein (LN 2) Sicherheitsmaßnahmen, einschließlich Schutzmantel, Gläser und cryoresistant Handschuhe. Hinweis: Hier und überall, alle Werkzeuge (Zange, etc.) für die Handhabung gefrorenen Proben müssen in LN 2 vor der Verwendung vorgekühlt werden, um ein versehentliches Auftauen zu vermeiden.
Kultivierte Zellen auf Deckgläsern
Schockgefrieren von kultivierten Hirnschnitten
2. Kryoschneiden
Vorab: Erfolgreich produzieren Trockenschnitt-Bänder von Ultradünnschnitten, während einfach und logisch, erfordert Übung, Geduld und erheblichen Praxis.
3. Schockgefrierungsobjekthalter von Proben in die Elektronen-Mikroskop
Das Kerninstrument für die ESMAin diesem Labor ist eine analytische Elektronenmikroskop bei 120 kV betrieben und für Kryomikroskopie ausgestattet, das heißt, mit einem sauberen Vakuum, Probe-Gebiet anticontaminator, einer 2k x 2k hochempfindlichen Digitalkamera und Schockgefrierungsobjekthalter Probenhalter entworfen. Überprüfen Sie vorher, Mikroskop Ausrichtung und Betriebsbedingungen in beiden Low-und High-Vergrößerung Modi und bestätigen eine zufriedenstellende Spalte Vakuum, idealerweise ≤ 10 -7 Torr. Tune up wie nötig.
4. Visual Survey der § §
5. Die Gefriertrocknung der § §
6. Imaging von Zellen und Organellen
Strukturbilder von gefriergetrockneten Abschnitte werden bei ca. erhalten. -160 ° C als low-dose, Zero-Loss-Bilder mit einem 2k x 2k Slow-Scan CCD-Kamera durch entsprechende Software gesteuert digital aufgezeichnet.
7. Akquisition von Röntgenspektren
Röntgenspektren mit einem aufgezeichnet werden mehrere kommerzielle oder kundenspezifische Röntgenanalysesysteme minimal aus einer energiedispersiven Röntgenanalyse (EDX)-Detektor, zugehörigen Impulsprozessor-Elektronik und kompatibel Erfassung und Anzeige-Software. (Der in dieser Übung verwendete System ist in Tabelle 1 beschrieben.)
8. Analyse der Röntgenspektren
Qualitative Analyse
Eine EDX-Spektrum (Abbildung 2, Einschub) ist im Wesentlichen eine xy-Darstellung der Röntgenintensität vs Energie. Spectra enthalten qualitative und quantitative Informationen über die elementare Zusammensetzung von ter analysiert, Lautstärke, dass der "charakteristischen" Energie einer Spitzen identifiziert das Element, die zu diesem Gipfel, während die Intensität spiegelt die Menge dieses Elements. Die charakteristischen Peaks reiten auf einem sich langsam verändernden Hintergrund, der "Kontinuum". (Die Legende zu Abbildung 2 weiter diskutiert hervorstechenden Details der EDX-Spektren.) Die Energie der Spitzen Verteiler für das gesamte Periodensystem werden durch die bekannten elektronischen Struktur von Elementen, wodurch alle EDX Software Links zu einer Datenbank, die automatisch identifiziert Komponenten definiert ein Analyt. In einem physiologischen Kontext, Elemente von allgemeinem Interesse, die gut auf EDX-Analyse sind, umfassen Na (K α bei 1,04 keV), P (2,01 keV), K (3,31 keV) und Ca (3,69 keV).
Quantitative Analyse
Die quantitative Analyse der EDX-Spektren aus der Extraktion der integrierten Fläche der Peaks identifiziert und Konvertieren dieses Wertes in einer Konzentration. Für biologische Analyse ist die etablierten Ansatz der Hall Peak / Kontinuum Verfahren 4,7,10, die Nutzen aus der Tatsache, dass die Intensität des Kontinuums (oben und in Abbildung 2 definiert) ist proportional zu der Trockenmasse des analysierten Volumen nimmt . Somit ist das Verhältnis der Peakfläche / Kontinuum Bereich, verglichen mit dem gleichen Verhältnis in Spektren von Standards bekannter Zusammensetzung, gibt die Konzentration in der Ziel Zellkompartiment. Beachten Sie, dass dieser Ansatz Konzentrationen in Einheiten von Mol pro Gewicht, in der Regel als mmol / kg Trockengewicht ausgedrückt. Diese Einheit ist ungewöhnlich und für die Interpretation erfordern zusätzliche Umwandlung in zB mmol / L Nassgewicht oder mmol / mg Protein, wie beschrieben elsewhere 4,10.
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Gehirnzellen zu erhalten in der Regel exzitotoxische Verletzungen als Folge des pathologischen Neurotransmitter-Freisetzung, die unter ischämischen Bedingungen auftritt. ESMA war entscheidend für die Entdeckung, wie die Fähigkeit der neuronalen Mitochondrien, riesige Mengen an Kalzium zu maskieren zugrunde liegt, den Mechanismus der Verletzung. Die elektronenmikroskopische Aufnahme in Fig. 3 veranschaulicht das Aussehen von Mitochondrien in gefriergetrockneter Gefrierschnitten von kultivierten hippoc...
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Die hier vorgestellte Elektronenmikroskop-basierten Analysemethode ermöglicht die Detektion, Identifizierung und Quantifizierung von mehreren Elementen von biologischem Interesse, einschließlich Na, K, P, insbesondere Ca. Diese Analysen können bei subzellulärer geführt werden, dh, intra-Organellen, die Auflösung aufgrund der Fähigkeit, zu lokalisieren und zu identifizieren Strukturen von Interesse in Bildern hoher Qualität von Gefrierschnitten aus rasch eingefroren Proben vorbereitet. Beachten Sie, dass...
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Die Autoren berichten, keine Interessenkonflikte.
Wir möchten Frau Christine A. Winters für hervorragende technische Unterstützung danken. Diese Arbeit wurde durch das Grundneuroscience Programm der NINDS Interne Research Program, NIH (Z01 NS002610) unterstützt.
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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 | |
|
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