This project was supported by grants NIH NIGMS 8P41 GM103540-28 and P50-GM076516

1. Preparación de muestras <ol><li> Mantener células CHOK1 en matraces de cultivo de tejido utilizando DMEM suplementado con suero bovino fetal al 10% y 100 UI / ml de penicilina 50 g / ml de estreptomicina. Se incuban las células en una incubadora humidificado 5% de CO 2 a 37 ° C. </li><li> Cosecha y luego placa células CHOK1 sobre un diámetro micro-bien 14 mm con un espesor de 0,16 mm superficie. Se siembran las células de la densidad óptima para la imagen, en torno al 60-70% de confluencia. </li><li> Se incuban las células durante la noche a 37 ° C, 5% de CO 2. Lavar las células tres veces en HBSS (Hank Buffered Saline Solution), e incubar las células en una solución que contiene 50 nM de DND26 Lysotracker verde y 150 nM de verde rastreador de la tubulina. Se incuban las células durante 1 hora a 37 ° C. Paso opcional: Antes de la incubación, realizar una tinción adicional con un colorante de tinción de la matriz mitocondrial (25 nM). </li><li> Lavar las células tres veces en HBSS para eliminar cualquier colorante no unido. Añadir medio de cultivo DMEM fresco antes de la imagción de las células. </li></ol> 2. Microscopio Configuraciones El microscopio para el rastreo de partículas se describe en el protocolo de vídeo está montado en el bastidor de un microscopio invertido comercialmente disponible (Figura 4). Sin embargo módulos comerciales para el rastreo de partículas orbital 3D ya están disponibles. <ol><li> Use un II coherente Camaleón-Ultra Ti: Sa femtosegundo fuente de luz de excitación láser, con una longitud de onda sintonizable rango de salida entre 690 nm-1040 nm. </li><li> Asegúrese de que el rayo láser está alineado en el puerto trasero del microscopio utilizando espejos IR-revestido. El rayo láser se atenúa usando una placa de media onda giratoria seguido por un polarizador lineal calcita. Atenuar el haz de manera que la potencia media en la muestra es entre 0.5 y 2 mW. NOTA: El rayo láser se refleja por un par de espejos accionados por motor galvanómetro que permiten el control de la posición y trayectoria del haz enfocado en el plano de la muestra. En unaconfiguración típica del haz de láser colimado que sale de los espejos de galvanómetro se expande (10X) que pasa a través de un expansor de haz, antes de entrar en la parte trasera del objetivo del microscopio después de la reflexión en espejo dicroico pase corto. </li><li> Recoger la luz de fluorescencia de la muestra mediante la colocación de un objetivo de alta abertura numérica agua (60X, NA 1.2) en la trayectoria de la luz. Elegir un cubo de filtro de fluorescencia de acuerdo con las longitudes de onda de emisión deseados en uno o dos de configuración de canal. Emplear filtros de paso de banda de emisión para seleccionar aún más la gama espectral de la fluorescencia emitida. </li><li> Colocar la muestra en una platina motorizada, y ajustar la multa movimiento del objetivo del microscopio utilizando un piezo-controlador objetivo. </li><li> Dirija la luz del cubo de filtro en tubos fotomultiplicadores donde se discrimina la señal y la envía a un I / O tarjeta de adquisición de datos digital. NOTA: El ordenador genera formas de onda son la salida analógica de la tarjeta de E / S y son Provided a los escáneres de control de la electrónica. La entrada de conteo de fotones de los fotomultiplicadores y la señal de salida a los escáneres se mide y se controla a través de la tarjeta de E / S por el Laboratorio de software de fluorescencia Dynamics SimFCS. </li></ol> 3. Imaging <ol><li> Coloque las células en el escenario y enfocar con iluminación de luz transmitida. </li><li> Cambiar a formación de imágenes de exploración de trama para identificar las células que han incorporado el colorante y para visualizar los microtúbulos subyacentes. Identificar la zona inicial donde el movimiento de la vesícula está presente. </li><li> Una vez que una vesícula aislado se identificó, establecer los siguientes parámetros para el seguimiento orbital: <ol><li> Seleccione el radio de la órbita para definir el tamaño de la exploración circular de acuerdo con el tamaño de la partícula siendo rastreado. Para un emisor de punto, establecer el radio de la órbita igual a la cintura de la función de dispersión del punto (PSF) de la viga de excitación para maximizar la sensibilidad y la respuesta. </li><li> Ajuste el axialdistanciarse para definir la distancia entre las dos órbitas que se realizan para localizar la posición de la partícula a lo largo de la dirección axial. Establezca la distancia axial a 1,5-3 veces la cintura PSF. </li><li> Definir el tiempo de permanencia en función del brillo de la partícula para establecer el tiempo dedicado a cada punto de la órbita, que también determinará el tipo de foto-blanqueo. Utilice un tiempo de espera entre 10 a 100 microsegundos. </li><li> Establecer el número de puntos en cada órbita a 64 o 128 para producir períodos orbitales en el orden de 4-32 ms y proporcionar una alta resolución temporal para determinar la posición de la partícula. </li></ol></li><li> Cambie la señal DC compensar envía a los espejos con el fin de centrar el haz sobre la partícula a través de la interfaz gráfica de usuario a través de una selección cursor en la imagen raster-escaneada. </li><li> Comience seguimiento al cambiar el modo de microscopio de raster de imágenes para la exploración orbital. </li><li> Active la recogida de opiniones y datos. </li></ol> 4. TrajectAnálisis ory <ol><li> Utilice el software para visualizar la fluorescencia recogida en cada punto a lo largo de la órbita y en cada punto en la forma de una &quot;alfombra intensidad&quot; tiempo. La intensidad de recogida a lo largo de la alfombra proporciona información sobre la interacción de la partícula con otros objetos brillantes. Utilice el software para visualizar tanto la información de trayectoria (es decir, el desplazamiento de CC en el tiempo de la x, y y los escáneres de la -piezo z), así como la intensidad de fluorescencia obtenida de la tubo fotomultiplicador con el tiempo en forma de series de tiempo. </li><li> Utilice la representación de series de tiempo y la información &#39;alfombra intensidad &quot;para seleccionar sólo una región de interés en la trayectoria. </li><li> Utilice el software para mostrar una proyección 2D de la parte seleccionada de la trayectoria de la partícula. Seleccione los controles apropiados para el código de color de acuerdo a la trayectoria de la intensidad de fluorescencia de las partículas. </li><li> Seleccione la opción para mostrar la partículo trayectoria en 3D, y código de color de acuerdo a la intensidad de fluorescencia. Girar la trayectoria en 3D utilizando los controles para visualizar las características del movimiento lisosoma a lo largo de los microtúbulos. </li></ol>

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	<li>So, P. T., Dong, C. Y., Masters, B. R., Berland, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two+photon+excitation+fluorescence+microscopy.">Two photon excitation fluorescence microscopy.</a> Annu Rev Biomed Eng. 2, 399-429 (2000).</li><li>Dupont, A., Lamb, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+three+dimensional+single+particle+tracking.">Nanoscale three dimensional single particle tracking.</a> Nanoscale. 3, 4532-4541 (2011).</li><li>Estrada, L. C., Gratton, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+nanometer+images+of+biological+fibers+by+directed+motion+of+gold+nanoparticles.">3D nanometer images of biological fibers by directed motion of gold nanoparticles.</a> Nano Lett. 11, 4656-4660 (2011).</li><li>Kis-Petikova, K., Gratton, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distance+measurement+by+circular+scanning+of+the+excitation+beam+in+the+two+photon+microscope.">Distance measurement by circular scanning of the excitation beam in the two photon microscope.</a> Microscopy Research and Technique. 63, 34-49 (2004).</li><li>Levi, V., Ruan, Q., Gratton, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3+D+particle+tracking+in+a+two+photon+microscope+application+to+the+study+of+molecular+dynamics+in+cells.">3 D particle tracking in a two photon microscope application to the study of molecular dynamics in cells.</a> Biophys J. 88, 2919-2928 (2005).</li><li>Lund, F. W., Wustner, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparison+of+single+particle+tracking+and+temporal+image+correlation+spectroscopy+for+quantitative+analysis+of+endosome+motility.">A comparison of single particle tracking and temporal image correlation spectroscopy for quantitative analysis of endosome motility.</a> Journal of Microscopy. 252, 169-188 (2013).</li><li>Nath, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spreading+of+Neurodegenerative+Pathology+via+Neuron+to+Neuron+Transmission+of+beta+Amyloid.">Spreading of Neurodegenerative Pathology via Neuron to Neuron Transmission of beta Amyloid.</a> Journal of Neuroscience. 32, 8767-8777 (2012).</li><li>Balint, S., Vilanova, I. V., Alvarez, A. S., Lakadamyali, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlative+live+cell+and+superresolution+microscopy+reveals+cargo+transport+dynamics+at+microtubule+intersections.">Correlative live cell and superresolution microscopy reveals cargo transport dynamics at microtubule intersections.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, 3375-3380 (2013).</li><li>Huotari, J., Helenius, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Endosome+maturation.">Endosome maturation.</a> Embo Journal. 30, 3481-3500 (2011).</li><li>Ragan, T., So, P. T., Kwon, H. S., Gratton, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+particle+tracking+on+the+two+photon+microscope.">3D particle tracking on the two photon microscope.</a> Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences. 2, 247-258 (2001).</li><li>Konig, K., So, P. T. C., Mantulin, W. W., Gratton, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cellular+response+to+near-infrared+femtosecond+laser+pulses+in+two+photon+microscopes.">Cellular response to near-infrared femtosecond laser pulses in two photon microscopes.</a> Optics Letters. 22, 135-136 (1997).</li><li>Caviston, J. P., Holzbaur, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microtubule+motors+at+the+intersection+of+trafficking+and+transport.">Microtubule motors at the intersection of trafficking and transport.</a> Trends Cell Biol. 16, 530-537 (2006).</li><li>Cardarelli, F., Lanzano, L., Gratton, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capturing+directed+molecular+motion+in+the+nuclear+pore+complex+of+live+cells.">Capturing directed molecular motion in the nuclear pore complex of live cells.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, 9863-9868 (2012).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

A pesar de los enormes progresos de las técnicas de microscopía de fluorescencia y instrumentaciones de los últimos años, logrando trayectorias de las partículas fluorescentes en tres dimensiones con una alta resolución temporal se ha mantenido un reto en el campo. Si de alta resolución temporal se ha logrado partículas de rastreo en dos dimensiones, la extensión a la dirección axial típicamente trae una drástica reducción en la respuesta de frecuencia del sistema 10. ...

Un gran número de enfoques han sido desarrollados hasta la fecha para realizar un seguimiento de partículas fluorescentes en tres dimensiones usando un microscopio. La mayoría de los enfoques se basan en el uso de cámaras rápidas, ideal para realizar un seguimiento en dos dimensiones, por lo general combinados con modificaciones personalizadas de la óptica de emisión del microscopio para lograr el seguimiento en la dirección axial. Microscopios de barrido láser confocal (ya sea o dos fotones) convencionalmente puede rastrear una partícula fluorescente mediante la realización de una secuencia temporal de z-pilas, aunque este proceso es típicamente mucho tiempo, y produce resolución de tiempo razonable (10 Hz) sólo si la partícula está realizando un seguimiento es mantenido en el centro de una pequeña región de formación de imágenes de trama por un mecanismo de retroalimentación activo 2. La idea de quedarse atrapado en la partícula es la base del método de seguimiento orbital. En lugar de una trama escanear una órbita circular que se realiza alrededor de la partícula fluorescente. La intensidad de la fluorescencia a lo largola órbita localiza con precisión la posición de la partícula 4. La posición localizada de la partícula puede entonces ser utilizada para accionar los escáneres de microscopio y re-centro de la órbita en la posición de la partícula. Los escáneres galvanómetro del microscopio son impulsados ​​por una tensión analógica. El componente de AC de este voltaje permite realizar una órbita con el haz de láser enfocado, es decir, un seno y una onda de coseno aplicado a los espejos de exploración X e Y permitirá la realización de una órbita circular. El desplazamiento de la señal de DC facilita el cambio de la posición del centro de la órbita. Una vez que un período de órbita y se determina la forma de onda para la señal de CA está configurado, el sistema de retroalimentación necesita actualizar sólo el componente DC de la señal. Un software capaz de leer la señal fluorescente obtenida de los detectores se requiere para el control de los escáneres y los detectores, para calcular la posición de la partícula y actualizar el DC fueraestablecer. Para una evaluación exitosa imágenes de una cuidadosa selección de los parámetros de órbita (tamaño y calendario) que se requiere y estos parámetros tienen que ser ajustado en base a las características de las partículas fluorescentes que es necesario realizar un seguimiento. Los fundamentos físicos y matemáticos de la técnica se han descrito en el pasado de 4,5 tanto para aplicaciones 2D y 3D. En este protocolo se describen brevemente los principales componentes de hardware de la configuración, y con más detalle la elección de los parámetros y de la preparación de la muestra necesario para un experimento típico permitiéndonos tras el desplazamiento de un lisosoma en una alta resolución temporal dentro de una célula viva.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="525">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:197px;">Name</td>
			<td style="width:160px;">Company</td>
			<td style="width:168px;">Model</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Lysotracker DND 26</td>
			<td>Life technologies</td>
			<td>L-7526</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">tubuline tracker Green</td>
			<td>Life technologies</td>
			<td>T34075</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Mitotracker RED</td>
			<td>Life technologies</td>
			<td>M7512</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Coherent Chamelon- ultra II TI</td>
			<td>Coherent</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Calcite polarize</td>
			<td>Melles Griot Glan&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Galvanometer-motor mirror</td>
			<td>Cambridge technologies</td>
			<td>M 6350</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Dichroic mirror</td>
			<td>Chroma technologies</td>
			<td>700 DCSPXR</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Motorized stage</td>
			<td>ASI</td>
			<td>MS2000</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Piezo&#160;</td>
			<td>PI</td>
			<td>P721-LLQ</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Photomultiplier tube</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td>H7422P-40</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Data acquisition card</td>
			<td>IO tech</td>
			<td>PCI 1128-4000</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;"></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Imaging software</td>
			<td>LFD</td>
			<td>Global for images-SimFCS</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d orbital tracking in a modified two-photon microscope: an application to the tracking of intracellular vesicles

El objetivo de este protocolo de vídeo es discutir cómo realizar y analizar un tridimensional fluorescente orbital experimento de rastreo de partículas usando un microscopio de dos fotones modificado 1. A diferencia de los enfoques convencionales de exploración de trama (o campo amplio basado en una pila de marcos), el seguimiento orbital 3D permite localizar y seguir con una alta resolución espacial (10 exactitud nm) y la resolución temporal (respuesta de frecuencia 50 Hz) el desplazamiento de 3D una partícula fluorescente pasar longitud escalas de cientos de micras 2. El método se basa en un algoritmo de realimentación que controla el hardware de una de dos fotones microscopio de barrido láser con el fin de realizar una órbita circular alrededor del objeto a ser rastreados: el mecanismo de retroalimentación mantendrá el objeto fluorescente en el centro mediante el control del desplazamiento de el haz de exploración 3-5. Para demostrar las ventajas de esta técnica, hemos seguido un orgánulo de movimiento rápido, el lisosoma, dentro de alcelular iving 6,7. Las células se cultivaron de acuerdo a protocolos estándar, y se tiñeron usando un colorante comercialmente lisosoma. Se discute brevemente la configuración de hardware y con más detalle el software de control, para llevar a cabo un experimento de seguimiento orbital 3D dentro de las células vivas. Se discuten en detalle los parámetros requeridos con el fin de controlar el microscopio de exploración y permitir el movimiento de la viga en una órbita cerrada alrededor de la partícula. Concluimos demostrando cómo este método puede ser usado efectivamente para seguir el movimiento rápido de un lisosoma marcado a lo largo de los microtúbulos en 3D dentro de una célula viva. Los lisosomas pueden moverse con velocidades en el intervalo de 0,4-0,5 m / seg, típicamente presentan un movimiento dirigido a lo largo de la red de microtúbulos 8.

De acuerdo con este protocolo de seguimiento de una sola partícula 3D rápido puede llevar a cabo dentro de las células vivas con un microscopio de dos fotones modificado para seguir el desplazamiento de los lisosomas marcados con fluorescencia. El experimento llevado a cabo consiste en el seguimiento de un lisosoma aislado en movimiento dentro de la célula después del proceso de maduración endosoma 9. Los lisosomas se tiñeron utilizando un tinte verde fluorescente y se excita a 930 nm de excitación qu...

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3D Orbital Tracking in a Modified Two-photon Microscope: An Application to the Tracking of Intracellular Vesicles

In this video protocol we track - at high speed and in three dimensions - fluorescently labeled lysosomes within living cells, using the orbital tracking method in a modified two-photon microscope.

Rastreo Orbital 3D en un microscopio de dos fotones Modificado: una aplicación para el Seguimiento de vesículas intracelulares

The objective of this video protocol is to discuss how to perform and analyze a three-dimensional fluorescent orbital particle tracking experiment using a ...

3d-orbital-tracking-modified-two-photon-microscope-an-application-to

Research

JoVE Journal

Bioengineering

10.1K vistas.  University of California, Irvine. In this video protocol we track - at high speed and in three dimensions - fluorescently labeled lysosomes within living cells, using the orbital tracking method in a modified two-photon microscope. 