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Method Article
Wir haben ein Open-Source-Micro-Manager-Plugin entwickelt, das die Live-View-Beobachtung von fluoreszierenden Dipolen auf einem Mikroskop mit strukturierter Beleuchtung ermöglicht. Das Plugin unterstützt die Beobachtung sowohl der 2D- als auch der 3D-Dipolausrichtung.
Mit der Fluoreszenzpolarisationsmikroskopie (FPM) können die Position und Dipolorientierung von Fluorophoren abgebildet werden. Trotz der Errungenschaften der superhochauflösenden Fluoreszenzpolarisationsmikroskopie behindert ihre Abhängigkeit von der Nacherfassung die Echtzeitbeobachtung. Die polarisierte strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (pSIM) bietet eine hochauflösende Abbildung von fluoreszierenden Dipolen mit hoher Bildgebungsgeschwindigkeit und eignet sich gut für Anwendungen mit lebenden Zellen. Wir haben eine Open-Source-Implementierung für die Echtzeit-Rekonstruktion von Polarisationsbildern und die Darstellung der fluoreszierenden Dipole entwickelt. Darüber hinaus haben wir die Methode erweitert, um ein 3D-Orientierungsmapping (3DOM) zu erreichen, wodurch ihr Nutzen für komplexe biologische Studien erweitert wurde. Darüber hinaus haben wir eine ausführliche Einführung in die Erweiterung eines bestehenden SIM-Mikroskops für die Polarisationsbildgebung gegeben und eine detaillierte Konfigurationsanleitung des Micro-Manager 2.0 zur Steuerung des Mikroskops bereitgestellt, die eine Echtzeitvorschau der polarisierten Bildgebung ermöglicht. Darüber hinaus haben wir den MATLAB-Code für die vollständige Rekonstruktion bereitgestellt, der sowohl pSIM als auch 3DOM umfasst. Dieser umfassende Leitfaden soll Anfängern helfen, die Operationen schnell zu beherrschen und einfach mit ihnen zu beginnen.
Die Fluoreszenzpolarisationsmikroskopie (FPM) hat sich zu einer leistungsfähigen Technik entwickelt, mit der sowohl die Position als auch die Dipolorientierung von Fluorophoren gleichzeitig abgebildet werden können, und bietet tiefgreifende Einblicke in die biologische Bildgebung 1,2. Durch die Erleichterung der Richtungsbeobachtung der Orientierungen von Biomolekülen enthüllt FPM die komplizierte Anordnung von Makromolekülen wie Aktin 3,4,5, Mikrotubuli5, Septin6, DNA-Filament 7-9, Kernporenkomplex10 und Membranproteine11. Seine schnellen, nicht-invasiven und mit lebenden Zellen kompatiblen Fähigkeiten ermöglichen die Verfolgung der molekularen Rotationsdynamik mit hoher zeitlicher Auflösung11,12. In Verbindung mit Bioforce-Sonden kartiert FPM nicht nur Kraftgrößen in subzellulärer Auflösung, sondern misst auch Kraftrichtungen, wodurch unser Verständnis biomechanischer Prozesse durch die Aufdeckung der Richtung von Kräften verbessertwird 13.
In den letzten Jahrzehnten hat sich die superauflösende Fluoreszenzpolarisationsmikroskopie rasant weiterentwickelt. Ein bemerkenswerter Fortschritt auf diesem Gebiet ist die Einzelmolekül-Orientierungslokalisierungsmikroskopie, auch SMOLM genannt, die sowohl die Position als auch die Orientierung von Fluorophoren lokalisieren und so eine mehrdimensionale Lokalisierung ermöglichen kann. Die Polarisationsmessung in SMOLM kann mit Hilfe der Polarisationsanregungsmodulation7, der mehrkanaligen polarisierten Detektion3 oder der speziell entwickelten polarisationsempfindlichen Punktspreizfunktion (PSF)14 durchgeführt werden. Obwohl SMOLM eine räumliche Auflösung in der Größenordnung von Dutzenden von Nanometern erreicht und die Polarisation einzelner Moleküle misst, leidet es unter einer verlängerten Bildgebungszeit. Dies ist auf die sich wiederholenden Zyklen des Blinkens und der Lokalisierung von Fluorophoren zurückzuführen, die eine Herausforderung für die Videobildgebung und Lebendzellanwendungen darstellen.
Im Gegensatz dazu bietet die polarisierte strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (pSIM) eine räumliche Auflösung von etwa 100 nm, gekoppelt mit der Erfassung von Polarisationsinformationen mit demselben SIM-Datensatz. Insbesondere kann pSIM Bildgebungsgeschwindigkeiten mit Videorate erreichen und ist hochgradig kompatibel mit der Bildgebung lebender Zellen, ohne strenge Anforderungen an fluoreszierende Moleküle. Kürzlich ist es pSIM gelungen, die Aktinringstruktur im membranassoziierten periodischen Skelett (MPS)5 aufzudecken und eine superauflösende Kartierung biologischer Kräfte zu ermöglichen13.
pSIM erfordert jedoch eine Bildrekonstruktion nach der Aufnahme, was eine Echtzeit-Visualisierung der Polarisationsergebnisse verhindert. Diese Verzögerung behindert die unmittelbare Beobachtung biologischer Phänomene und hindert die Forscher daran, biologische Phänomene von Interesse schnell zu erfassen und Echtzeitanpassungen an Proben und Bildgebungsbedingungen vorzunehmen. Um diese Einschränkung zu beheben, haben wir eine Open-Source-Implementierung entwickelt, die die Bildaufnahme und die Echtzeit-Rekonstruktion und Anzeige von Polarisationsergebnissen auf Basis der ImageJ- und Micro-Manager-Plattform (https://github.com/KarlZhanghao/live-pol-imaging) erleichtert.
Während pSIM bisher auf die Bereitstellung von 2D-Polarisationsinformationen in der Ebene beschränkt war, haben wir kürzlich seine Fähigkeiten erweitert, um eine 3D-Orientierungskartierung mit fast der gleichen Ausrüstung15 zu erreichen, die als 3D-Orientierungskartierung (3DOM) bezeichnet wird. Diese Open-Source-Software bietet auch die Steuerung, Rekonstruktion und Visualisierung von 3DOM. Die Rekonstruktions- und Visualisierungsmodule sind auch mit der Anwendung zur Verfolgung der Einzelmolekülorientierung kompatibel. All diese Funktionalitäten erhöhen den Nutzen der Polarisationsbildgebung in komplexen biologischen Studien.
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1. Erweiterung eines bestehenden Mikroskops mit strukturierter Beleuchtung für die Polarisationsbildgebung
2. Einrichtung des Mikro-Managers
3. Systemkalibrierung mit fluoreszierenden Kügelchen
4. Probenvorbereitung: Aktin in fixierten Zellen
5. Probenvorbereitung: in-vitro λ-DNA
6. Bildgebung
7. Live-View-Plugin von pSIM und 3DOM
8. Datenanalyse mit superauflösender Rekonstruktion
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Die pSIM-Methode kann an SIM-Mikroskopen durchgeführt werden, basierend auf der Interferenz mit s-polarisierten Laserstrahlen. s-Polarisationsinterferenz ist der am weitesten verbreitete SIM-Typ und erzeugt kontrastreiche Beleuchtungsstreifen. Der akademische Prototyp eines Mikroskopaufbaus ist in der Originalarbeit von pSIM5 enthalten. Ein räumlicher Lichtmodulator (SLM), der in Abbildung 1 kurz vor...
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In unserer Studie haben wir ein Plugin entwickelt, das eine Echtzeitvorschau von zwei Polarisationsbildgebungsverfahren, pSIM und 3DOM, ermöglicht. Beide Technologien können mit leichten Modifikationen in einem bestehenden SIM-System durchgeführt werden. Wir haben die detaillierten Schritte zur Installation des pSIM- und 3DOM-Mikroskops bereitgestellt und den Micro-Manager eingerichtet, um das Mikroskop zu steuern und zu demonstrieren, wie die Polarisationsergebnisse in der Live-Ansic...
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Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen.
Diese Arbeit wurde durch das National Key Research and Development Program of China (2022YFC3401100) unterstützt.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
100 nm Fluorescent beads | Invitrogen | F8801 | |
4% Formaldehyde solution | Invitrogen | R37814 | |
Camera | Tucsen | Dhyana 400BSI V3 | https://www.tucsen.com/download-software/ |
Denture base materials (Type I Thermally setting type, liquid) | New Century Dental | N/A | |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium | Gibco | C11995500BT | |
Eclipse TE2000 Inverted Microscope | Nikon | TE2000 E | |
Fetal Bovine Serum | Gibco | 10099141C | |
MATLAB R2019b | MathWorks | Version R2019b | https://ww2.mathworks.cn/downloads/ |
MetroCon V4.0 | Kopin | Version 4.0 | Software of Spatial light modulator |
Micro-Manager 2.0 | μΜanager | Version 2.0 | Download Micro-Manager Latest Release |
MS-2000 XYZ Automated Stage | Applied Scientific Instrumentation | MIM3 | https://www.asiimaging.com/support/downloads/usb-support-on-ms-2000-wk-controllers/ |
myDAQ | National Instruments | 781325-01 | Software and Driver Downloads - NI |
OBIS 561 nm LS 20 mW Laser | Coherent | 1325777 | |
Phalloidin-AF568 | Invitrogen | A12380 | |
Phosphate buffered saline | Corning | 21-040-CV | |
Poly Methyl Methacrylate | Solarbio | M9810 | |
ProLong Diamond | Invitrogen | P36980 | |
Spatial light modulator | Kopin | SXGA-12 | |
SYTOX orange nucleic acid stain | Invitrogen | S11368 | |
Triton X-100 | Invitrogen | HFH10 | |
Trypsin | Gibco | 25200056 | |
λ-DNA | Invitrogen | S11368 |
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