Method Article
Here, we introduce a method, cocem3D, to unveil the ultrastructure of a specific cell in its native tissue by bridging confocal and serial block-face scanning electron microscopy.
細胞の超微細構造の描写は、その機能を理解するために重要です。これは、腸上皮の腸内分泌細胞などの多様な細胞型からなる組織に拡散希少細胞タイプのために困難なプロジェクトであることができます。千:彼らは1の割合で他の上皮細胞に分散しているため、食品や細菌のこれらの胃腸のセンサは、勉強することが困難でした。近年、トランスジェニックレポーターマウスは、蛍光によって腸内分泌細胞を同定するために生成されています。それらの一つは、ペプチドYY-GFPマウスです。このマウスを用いて、共焦点およびシリアルブロック面の走査型電子顕微鏡を相関させる方法を開発しました。私たちはこの方法cocem3Dという名前で、組織内の特定の腸内分泌細胞を識別し、3Dで細胞の超微細構造を明らかにするためにそれを適用しました。 cocem3Dの分解能は、分泌小胞と小さい小器官を同定するために、ボリューム再ために細胞膜を区別するのに十分ですndering。 Cocem3Dは容易に天然の組織内の他の特定の細胞型の3次元超微細構造を研究するために適合させることができます。
細胞内の生命は時間と空間で起こります。経時変化は、しばしば、超解像顕微鏡のような蛍光イメージング技術と組み合わせタイムラプス顕微鏡を用いて研究されています。スペースは、特に、細胞内小器官または細胞間相互作用の配置は、唯一のセルの微細構造を完全に考慮することによって導出することができます。細胞の微細構造の包括的なアカウントはC.のような、ゲノムが利用可能である場合には、ゲノム機能に明確さをもたらすことができます線虫1またはフラット板形動物門のtricoplaxのアドヘレン2 エレガンス 。連続切片の電子顕微鏡検査は、現在、効率的な再現性、時間、シリアルブロックフェイス走査電子顕微鏡3(SBEM)のような自動化された3次元電子顕微鏡技術の開発に安価なタスクのおかげです。
機能を解明するための構造情報の必要性は、特定のセル画では非常に明白ですこのようなニューロン、グリア、または感覚上皮細胞としての機能は、物理的な細胞間相互作用に依存するL型、。我々は、腸の内腔での栄養素からの感覚信号は、最終的欲求行動を調節する電気信号に導入されているかの解明に特に興味を持っています。回路は複雑であるが、栄養素が腸内分泌細胞と呼ばれる感覚上皮細胞に接触し、腸の壁に始まります。このような味覚細胞のような他の感覚上皮細胞とは異なり、腸内分泌細胞は、1千4-7つの割合で腸上皮全体に分散されています。したがって、それらは、特定し研究することが困難であった、そして長時間彼らは消化管ホルモンの供給源として観察しました。しかし、細胞特異的蛍光レポーターマウスの開発に、これらの細胞の複雑な感覚機能が浮上しています。これらのレポーターマウスの一つは、ペプチドYY-GFP(PyyGFP)マウスを使用して、我々はそのenteroendocrを発見しましたINE細胞は、我々はneuropodという名前の顕著な細胞質尾部を持っています。 neuropodsの出現は、細胞間コミュニケーションに保存された機能を示唆しました。したがって、我々は、腸内分泌細胞の超微細構造を文書化することにより、neuropodsの関数を導出することができると推論しました。
特定するのは困難である分散セルに付属物の構造を理解する必要性は、共焦点顕微鏡とSBEMを結合する方法を開発するための主な根拠でした。関心の細胞は、PyyGFP腸内分泌細胞特異的レポーターマウスを用いて同定しました。この方法は、私たちは腸内分泌細胞とそのneuropod全体の超微細構造を文書化することができました。 neuropodsの中で、我々は、腸溶性グリア8への物理的な関係を発見し、神経細胞の軸索の構造的特徴を発見し、外neuropods。実際、neuropodsは、これらの細胞の分泌機能において必須の役割を示唆しているすべての分泌小胞の約70%を含みます。上の建物構造データは、より最近では、これらのneuropodsを通じて、腸内分泌細胞と神経細胞が腸舌8,9で味細胞と同様の神経上皮の回路を形成し、神経支配することがわかりました。
構造データから生じ胃腸化学感覚のメカニズムのような特徴を暴くことは、この相関顕微鏡法を使用して収集しました。我々は、細胞は、非常に低い割合で組織内に分散している場合は特に、この方法は、細胞生物学の他の分野に有用であり得ると考えています。我々は、3次元(Cocem3D)における相関、共焦点およびシリアルブロックフェイス走査電子顕微鏡などの方法に言及しました。組織切開、共焦点顕微鏡、SBEMイメージング、SBEMと共焦点画像相関、および手動のセグメンテーション:メソッドは、以下の主要なステップから構成されています。相関が物理的ではなく、化学物質であるため、他の相関の方法と比較して、概念はかなり単純です。
全ての動物のケアと実験は、デューク大学施設内動物管理使用委員会によって承認されたプロトコルに従って行われました。
Cocem3Dは、以前に公開されたプロトコル10,11の組み合わせから茎とPyyGFPレポーターマウス12を使用して、特定の腸内分泌細胞を研究するために、ここで適用しました。この方法は、商業的に容易に入手可能なトランスジェニックレポーターマウスを用いて、関心のある他のセルに適用することができます。相関、共焦点顕微鏡、シリアルブロック面を走査型電子顕微鏡(SBEM)、及び3Dのレンダリングデータ:この方法は、3つのセクションに記載されています。
相関共焦点顕微鏡
このセクションの目的は、相関、共焦点とSBEMイメージングを可能にする寸法の遠位結腸からの組織セグメントを収穫することです。次のようにプロトコルは次のとおりです。
1.収穫組織
2.組織セグメントを解剖し、固定
3.マイクロ解剖組織ブロック
4.共焦点イメージング
アガロース5.埋め込みブロック
シリアルブロックフェイス走査電子顕微鏡(SBEM)
このセクションでは、組織ブロックは、低倍率でSBEMを用いて調製し、画像化されます。ブロック面の調査画像は、目的の細胞を含む領域を識別するために、共焦点データと相関しています。地域一回識別され、組織は7ナノメートル/ピクセルと70nmのスライスの解像度で撮像されます。これが解決し、他の細胞小器官から大高密度コア分泌小胞を区別するのに十分でした。腸内分泌細胞では、小胞のこのタイプは、直径13で100から150nmの間で変化します。次のようにプロトコルは次のとおりです。
6.染色組織切片
樹脂7.浸潤と埋め込み組織切片
8.取り付けとイメージングのための組織ブロックをトリミング
9. SBEM
面分割のための10の最適化SBEM画像
3Dで描画データ
11.共焦点顕微鏡
12.シリアルブロック面SEM
注:手動データセグメント化は非常に時間の手順を消費し、数週間かかることが手順を描画する機能に応じてです。 Bohórquez らに提示ビデオや数値のための分割。2014年8を手動で行われ、労働力の約500時間を要しました。これは、セグメント化プロセスを開始する前にレンダリングを必要とする基本的な機能に優先順位を付けることをお勧めします。手順は次のとおりです。
ここで紹介する方法は、上皮の層内の特定の細胞の超微細構造を研究するために使用しました。この場合、目的の細胞は、とらえどころのない腸内分泌細胞です。 その場でそれらの同定は、細胞特異的蛍光レポーターマウスの開発にここ数年で可能でした。 2011年に、我々は、ホルモンPYYのプロモーターは緑色蛍光タンパク質17の発現を駆動するマウスを開発しました。このPyyGFPマウスでは、小腸および結腸の遠位部分の腸内分泌細胞は、容易にUV光下で識別されます。このマウスモデルは、腸内分泌細胞を含む組織ブロックを識別し、SBEMためにそれを処理するための基盤でした。相関法はcocem3Dとしてここに呼ばれ、以前に公開されたプロトコル10,11の上に建てられました。
組織ブロックの寸法を最適化することは、相関のために重要です。予備実験では、それは目的の細胞の全身を覆いながら組織ブロックに300ミクロンが長い×50ミクロンの厚SBEM画像の数を最小限に低減されることが決定した。 図1(a)は、振動羽根microtromeにを使用して切開の見逃しを示しています右の寸法を有する組織ブロックを得ます。少なくとも100ブロックは、関心のある無傷の細胞を有するものを選択するためにそれらを分類する前に取得されます。ブロックは、共焦点顕微鏡と画像のzスタックによって撮像され、選択された光学的にすべての1ミクロン( 図1BおよびC)を間隔を置いて配置されている。 図1Dは、マウスの回腸における腸内分泌細胞のボリュームレンダリングされた図を示しています。その顕著なneuropodは〜60ミクロンのために上皮細胞の下に延びています。
目的の細胞は、ブロック全体の顔のSBEMイメージと共焦点のzスタックを相関させることによって発見されました。例はPyyGFPの遠位結腸からブロックからここに提示されていますマウス。共焦点のzスタック( 図2A)を得た後、ブロックは、低融点アガロース( 図2B)の薄層に埋め込 まれています。これは、ブロックの後続の操作のために必要です。これはSBEMスライスの光スライスに合わせて可能な限り平坦なブロックの向きを維持することが重要です。 図2Cに、代表画像は、組織ブロックの全面で示されています。この図の一部は、以前にBohorquez らに出版された。2014年8。これは、その後、アカウントの組織のランドマークと寸法を考慮することにより、共焦点画像と相関していた。 図2Dは 、明らかに、ブロックの共焦点とSBEM画像の重ね合わせを示しています興味のある私たちの細胞の正確な位置。
セルが識別されると、SBEMイメージングは分泌小胞および他の細胞小器官を同定するのに十分に高い解像度で行われます。彼提示されたデータセットブロックの画像は、すべての70nmで採取したとして再画素当たり7 nmで画像化しました。データセットは、組織の深さ45ミクロンに及ぶ643の画像を含んでいました。数ミクロンは、低倍率での全体ブロック面の最初の撮影中に剃毛されています。生SBEMデータセットは.dm3形式で取得し、以降の処理のために.TIFFに転換しました。 SBEMスタックは、関心のある領域のみを含むようにフィジーのソフトウェアプラグイン「作物(3D)」ブロックを使用して、トリミングされました。これは、ボリュームレンダリングに必要なRAMメモリの量を減少させます。セルは、その位置と、分泌小胞によって識別され、IMARISソフトウェアを使用してセグメント化された。 図3は、腸内分泌細胞の3Dでレンダリングが含まれています。
図1:相関、共焦点顕微鏡の一部を分析するための(A)のワークフロー。300×厚さ50μmの組織ブロックに腸組織。 (B)右の寸法の代表組織ブロック。マウス小腸からこれらのディメンションの組織ブロックは、コロン約8陰窩の場合には、約3絨毛をまたがっているか、ということに注意してください。 (C)目的の細胞を含む小腸で絨毛。 (D)IMARISソフトウェアを使用して3次元でレンダリング共焦点zスタックは、腸上皮の下に実行されている顕著なneuropodで腸内分泌細胞を示します。青= DAPI核染色。バー=10μmである。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図2:SELEの連続ブロック面の走査型電子顕微鏡検査(A)共焦点画像興味のPyyGFPの腸内分泌細胞(緑)を含む大腸から組織ブロックをCTED。ブロックは、共焦点顕微鏡によって画像化されると、(B)は、その後、スライドガラスを使用して低融点アガロースで平坦に埋め込 まれます。アガロースで組織ブロックを埋め込むことは、その後の操作を容易にし、左の角のノッチが正しい方向にSBEM内のブロックをマウントすることができます。 (C)ブロックの顔のSBEM画像。 (D)利息(白矢印)の細胞を識別するためのSBEMと共焦点データの相関。この図のCとDの画像は、。Bohorquezらから変更2014年8されています。ブルーはDAPI核染色を=。バー=10μmである。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図3:IMARISソフトウェアを使用して腸内分泌細胞のデータは、3Dでレンダリング(A)ボリュームレンダリング。細胞は、分泌小胞を充填したneuropodが含まれています。腸内分泌細胞の超微細構造の完全な説明については、Bohórquez ら 、2014年8を参照してください。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
胃腸chemosensationは、生物医学研究にエキサイティングな新しい分野として浮上しています。これは、腸内分泌細胞18内の機能味覚受容体の発見に大きな部分です。その後の研究は、腸内分泌細胞は、炭水化物、脂質、およびアミノ酸5,6,19,20などの栄養素のための特異的受容体を発現することを示しました。これらの発見のための触媒因子は、腸内分泌細胞は、蛍光20をラベル付けされたレポーターマウスの開発、となっています。我々は、遠位小腸および結腸17,21の腸内分泌細胞を研究するために、これらのマウスの1、PyyGFPマウスを開発しました。彼らは満腹22,23の誘導因子であり、どちらもPYYおよびグルカゴン様ペプチド1を分泌するので、これらの細胞は、関心対象です。このとき、これらの細胞の完全な超構造のアカウントは、我々は彼らのシグナル伝達機構を理解することが不可欠だと信じていたこれ、行方不明になりました。
ontentは ">ここでは、SBEMと共焦点顕微鏡を埋めるための視覚的方法を説明した。方法は、私たちは、腸内分泌細胞の完全な超微細構造を文書化することができCocem3D、と呼ばれている。我々は、これらの細胞が三含まneuropodを持っていることを報告しています細胞を腸これらneuropodsが物理的にニューロンに接続しても分泌小胞8のすべての四半期。neuropod内では、ニューロフィラメントと神経軸索のようなはるかにあり、neuropodsが腸内グリア細胞8に育まれています。さらに重要なこと、それは腸を支配し、コロン9。cocem3Dの強みの一つは、そのシンプルさです。共焦点によって結像さSBEMが組織内の特定の細胞の同定を容易にすることができるブロックに組織サンプルを減らします。分泌小胞および他の細胞小器官は、7ナノメートル/ピクセルの解像度で容易に識別することができます。 SBEMのセクションが破棄されているので、さらにプロセスへ特定のタンパク質を同定するために、組織の歌うこの時点ではオプションではありません。しかしながら、そのような組織ブロックからの切片が保存されているアトゥム24、などの方法の開発は、細胞中の特定のタンパク質の同定を可能にする可能性があります。腸内分泌細胞は、脳内の腸と満腹の食糧間の感覚のインターフェイスであるため、腸内分泌細胞に化学感覚受容体の特定の位置を決定することは、肥満のための薬物療法の開発のための重要な情報です。
博士サティシュMedicettyはの従業員であり、Renovoの神経社から100%の給与を受けます。しかし、これは、データを共有すると、材料にJoveの方針の著者の遵守を変更しません。興味のある競合は、残りの著者のために宣言されていません。
Our sincere appreciation is expressed to the following people: Drs. Sam Johnson and Benjamin Carlson of the Duke Light Microscopy Core Facility for their assistance with data visualization software, and Ms. Valerie Lapham and Dr. John M. Mackenzie, Jr. of the Center for Electron Microscopy at North Carolina State University for their advice on electron microscopy. We thank Dr. Elaine B. Bohórquez for her editorial assistance. Authors contributed in the following manner: DVB, SM, and RAL designed experiments and analyzed data. DVB performed experiments and FH performed manual rendering of data. SM is director of Renovo Neural, where SBEM data was acquired. DVB wrote the manuscript and all authors reviewed and edited the final manuscript. This work was supported by NIH grants R01DK091946 and Veterans Affairs grant I01BX002230 to RAL, and F32DK094704, to DVB.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Phosphate buffered saline | Life technologies | 10010023 | |
Heparin sodium salt | Sigma | H4784 | |
Paraformaldehyde | Sigma | 158127 | 4%, freshly made in PBS, final pH 7.4 |
Glutaraldehyde | Sigma | G5882 | |
Dental wax | Electron Microscopy Sciences | 72660 | |
Low-melting agarose | Life technologies | 16520-100 | 5%, freshly made in PBS |
Standard Tissue-Tek Cryomold | Electron Microscopy Sciences | 62534-25 | |
DAPI nuclear stain | Life technologies | D1306 | |
Postively charged glass slides and coverslips | |||
Fine art paintbrush #1 | |||
Cacodylate buffer | Electron Microscopy Sciences | 11650 | |
Tannic acid | Electron Microscopy Sciences | 21700 | |
EMbed 812 kit | Electron Microscopy Sciences | 14120 | |
Liquid releasing agent | Electron Microscopy Sciences | 70880 | |
Liquid silver colloidal | Electron Microscopy Sciences | 12630 | |
CircuitWorks conductive epoxy | ITW Chemtronics | CW2400 | |
Variable flow peristaltic pump | VWR | 70730-064 | |
VT1200S Vibrating blade microtome | Leica | ||
Zeiss 780i confocal microscope | Carl Zeiss | ||
Sigma VP Scanning Electron Microscope | Carl Zeiss | ||
3view system | Gatan | ||
Renovo Neural Inc (Cleveland, OH) | http://www.renovoneural.com | Renovo provides 3d EM services | |
Fiji software | Open access software | ||
Computer station with 16 GB of RAM or more | |||
Data visualization software Imaris 7.5 | Bitplane |
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