A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
אנו להדגים שיטה כהה שדה מיקרוסקופית המבוססת על גאבור כמו סינון למדוד הדינמיקה subcellular בתוך תאים חיים בודד. הטכניקה היא רגישה לשינויים במבנה של האברונים, כגון פיצול המיטוכונדריה.
אנו מדגימים מכשיר מיקרוסקופי שניתן למדוד מרקם subcellular הנובעים מורפולוגיה אברון וארגון בתוך תאים חיים בלא כתם. המכשיר המוצע מרחיב את הרגישות של מיקרוסקופיה אופטית, תווית חינם לשינויים בגודל ננומטרי אברון וצורה והוא יכול לשמש כדי להאיץ את המחקר של הקשר מבנה פונקציה הנוגעים אברון הדינמיקה הבסיסית תהליכים ביולוגיים בסיסיים כגון מוות תאים מתוכנת או הסלולר בידול. המיקרוסקופ יכול להיות מיושם בקלות על פלטפורמות מיקרוסקופיה הקיים, ולכן יכול להיות מופץ למעבדות הפרט, שבו מדענים יכולים ליישם להשתמש בשיטות המוצע עם גישה מוגבלת.
הטכניקה המוצעת תוכל לאפיין את מבנה subcellular על ידי התבוננות דרך תא דו מימדי מסננים אופטיים גאבור. מסננים אלה יכול להיות מכוון לחוש ברגישות (10 של של ננומטר) הננומטרי, תכונות מורפולוגיות ספציפיים הנוגעים לגודל והכיוון של אי - כדורית האברונים subcellular. אמנם מבוסס על הניגוד שנוצר על ידי פיזור אלסטי, הטכניקה אינה מסתמכת על מודל פיזור מפורט הפוך או על התיאוריה מ.י. לחלץ מדידות morphometric. טכניקה זו היא אפוא החלים הלא כדורית האברונים עבורו תיאור מדויק פיזור תיאורטית לא ניתן בקלות, והוא מספק פרמטרים morphometric הייחודי שניתן להשיג בתוך תאים חיים בלא כתם על מנת להעריך את תפקידם. הטכניקה היא יתרון לעומת עיבוד תמונה דיגיטלית, כי היא פועלת ישירות על השדה של האובייקט ולא לשנות את העוצמה של האובייקט discretized. אין להסתמך על שיעורי דגימה גבוה התמונה ולכן יכול לשמש במהירות מסך פעילות מורפולוגיים בתוך מאות תאים בכל פעם, ולכן מאוד להקל על לימוד מבנה אברון מעבר פילוח אברון שחזור הפרט על ידי מיקרוסקופיה confocal פלואורסצנציה של תמונות דיגיטליות מוגדל מאוד תחומים מצומצם של הנוף.
בהפגנה זו אנו מראים נתונים diatom ימיים כדי להמחיש את המתודולוגיה. כמו כן, אנו מראים נתונים ראשוניים שנאספו תאים חיים כדי לתת מושג על איך השיטה ניתן להחיל בהקשר הביולוגי הרלוונטיים.
1. התחלת התאים מוכן
2. התחלת ההתקנה אופטי מוכן
3. טעינת filterbank ושימוש ההתקנה לרכוש מסוננים-רקע תמונות
4. ציפוי התאים
5. ביצוע הניסוי
6. החלפת אמצעי כדי לחשוף את התאים staurosporine (STS), ושמירה על אורך בינוני הניסוי
7. נציג תוצאות
בסיום הניסוי, הנתונים שנאספו יכלול מספר רב של תמונות מסוננים כי צריך להיות מעובד כדי לחלץ את הנתונים המבניים subcellular. שתי דוגמאות מופיעות בבנק מסנן אופטי המורכב 9 גאבור כמו מסננים עם = תקופת S לסנן 0.95μm, סטיית תקן של גאוס המעטפה = S / 2 = 0.45μm, ו אוריינטציות Φ = 0 ° עד Φ = 160 ° ב 20 ° במרווחים. (ראה גם [1] לפרטים נוספים).
דוגמא 1: ימית diatom
אנחנו הראשונים ליישם הבנק אוריינטציה רגיש לסנן שלנו מדגם diatom ימיים (החברה קרוליינה אספקה ביולוגית) עם תכונות מוכוונת נראו בבירור בחושך שדה (DF) הדמיה (איור 1). התמונות מסוננים אופטית מוצגים לצד התמונה מסוננת המדגם להשוואה.
איור 1: שדה כהה (DF) ותמונה מסוננים אופטית של הצורניות ימיים. אנו מנתחים את diatom בפינה הימנית התחתונה של התמונה (חץ לבן בלוח ביותר משמאל).
קבוצה של תשעה גאבור סינון תמונות של diatom עובדו על ידי פיקסל פיקסל עבור אוריינטציה אובייקט עגלגלות. עיבוד כלל (1) סיכום התגובות מדודה של כל תשעת גאבור סינון תמונות על כל פיקסל לקבוע את היקף הכולל של התגובה את האות ובכך קידוד משמעות בתגובה, ו (2) למצוא את הכיוון לסנן גאבור, Φ, שבו התגובה היא מוגדל ולקחת את היחס בין תגובה זו מקסימלי התגובה הממוצע של כל הזוויות ובכך קידוד המידה שבה חפצים כל פיקסל יש כיוון מועדף. מידת האוריינטציה קשורה קשר הדוק יחס הממדים גיאומטרי של החלקיקים. באיור. 2B, התגובת דואר הכוללת של הפיקסל לבנק המסנן (פרמטר 1) ואת מידת האוריינטציה או יחס (פרמטר 2) מקודדים ב רוויית צבע וגוון, בהתאמה. יחס ליד 1 (כחול) נמצא באזורים בהם אין זווית התגובה המועדפת, בעוד ערכים יותר (אדום) מצביעים על תחומים שבהם תגובה זווית המועדפת גבוה הוא ההווה. החלקיקים אוריינטציה מסד מקודד במזימה אשפת (איור 2 ג), שבו כל שורה מקרוב הסכים עם אוריינטציה אובייקט הבסיס המקומי נראה לעין בתחום כהה ללא סינון (איור 2 א).
איור 2:: תמונה השדה האפל של diatom. ב ': אוריינטציה תמונה אובייקט. סולם צבעים מציין מידת האוריינטציה (יחס גובה), בעוד בהירות מקודד המשמעות של התגובה הכוללת מסנן גבור. C: אוריינטציה של עצמים בעוצמה בתגובה ≥ 10% לכל היותר. קטע הקו מציין ציר זמן של המבנה המתאים.
דוגמא 2: תאים אפופטוטיים
כאן אנחנו מראים תמונות מסונן של בתאי האנדותל שור שטופלו staurosporine (STS) שעובדו באותו אופן כמו diatom. איור. 3 מראה לא מסוננת כהה שדה (DF) תמונה של התאים יחד עם תשע תמונות מסוננים בכל זמן T =- 180 דקות. לפני הטיפול STS.
איור 3: שדה כהה (DF) ותמונות מסוננים אופטית של שדה המכיל תאים חיים מספר האנדותל.
התמונות מסוננים נרכשו לאחר מכן כל 20 דקות במשך תקופה של שלוש שעות לאחר הטיפול STS. איור. 4a מראה יחס מפה של התאים כפונקציה של הזמן. במקרה זה גוון הצבע מייצג את מידת האוריינטציה (orientedness שכותרתו) כמו גוון הצבע באיור. 2b לעיל. עם זאת, הבהירות יחס לא משוקלל על פי התגובה הסינון הממוצע. ההרשמה יחס הממדים שלנו מפות עם תמונות פלואורסצנציה של המיטוכונדריה שכותרתו בתאים אלה (איור 4 ב), קבענו כי היחס נמדד ירידה היבט היה מרותק האזורים הסלולרי המכיל מיטוכונדריה והיה במקביל עם פיצול המיטוכונדריה אשר יכול להיבחן ישירות התמונות הקרינה של תאים זהים. איור. 5 מראה מגרשים זמן המתאר את שינוי יחס כפונקציה של הזמן תאים העוברים אפופטוזיס. בתוך כל תא, יש ירידה יחס בבית ט = 60-100 דקות באזורים כי להירשם פלורסנט המיטוכונדריה, אך לא באזורים להירשם האזורים רקע עמום פלואורסצנטי.
איור 4: יחס הממדים (א) ו פלואורסצנטי (ב) תמונות של בתאי האנדותל שטופלו inducer אפופטוזיס, staurosporine.
איור 5: מגרשים הזמן משווים את הירידה ביחס היבט החלקיקים (orientedness) בתאי האנדותל שטופלו staurosporine. עקבות אדם מייצגים חלקות הזמן בתוך תאים בודדים. הירידה orientedness מוגבל לאזורים של התאים להירשם (פאנל משמאל) המיטוכונדריה פלורסנט נעדר מאזורים רקע שאר הקרינה (מימין הפאנל).
עכשיו יש לנו נקבע כי ירידה יחס מתאים הפיצול המיטוכונדריה, אנחנו יכולים לגרום אפופטוזיס של התאים האלה, למדוד את הפיצול באמצעות שיטת פיזור אופטי שלנו מבלי התווית תאים, ללמוד את ההשפעה של התנאים גנטיים ניסויים שונים על זה דינמי.
השיטה המתוארת לעיל מפות התשואות morphometric של האובייקט שעלול לקודד גודל החלקיקים או נטייה למשל. מידע זה מבניים ניתן להשתמש במספר דרכים:
המכשיר מיקרו מראה מחקר זה מומן על ידי מענק קרן ויטאקר RG-02-0682 לנ Boustany. העבודה השוטפת ממומנת על ידי מענק NSF-DBI-0852857 לנ Boustany. Pasternack RM נתמכה בחלקה על ידי מלגה לנשיאות בוגרת ראטגרס. אנחנו רוצים גם להודות לד"ר א לבן עבור התאים iBMK שימוש במחקרים שלנו ד"ר מטקסס ד.נ. לדיון שימושי לגבי אסטרטגיות סינון אופטי.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
DMEM | Invitrogen | Low glucose DMEM | |
Liebowitz L15 medium | Invitrogen | Without phenol red | |
L-glutamine | Invitrogen | ||
Mitotracker Green | Invitrogen | ||
Bovine Brain Extract | Clonetics | ||
Fetal Bovine Serum | Gemini Bio Products | ||
Heparin | Sigma-Aldrich | ||
Staurosporine | Sigma-Aldrich | ||
Dymethylsulfoxide | Sigma-Aldrich | ||
Inverted microscope | Carl Zeiss, Inc. | Axiovert 200M | |
DMD | Texas Instruments | TI 0.7 XGA DMD 1100 | |
CCD | Roper Scientific | Cascase 512B | High (16 bit) dynamic range CCD |
CCD | Roper Scientific | Coolsnap cf |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved