Este método fornece um protocolo acessível e flexível para a preparação de grades de microscopia eletrônica (ME) para criotomografia celular in situ e microscopia correlativa de luz e eletrônica (CLEM).
A criotomografia celular in situ é uma técnica poderosa para estudar objetos complexos em seu contexto celular nativo congelado-hidratado, tornando-a altamente relevante para a biologia celular e virologia. O potencial de combinar a criotomografia com outras modalidades de microscopia a torna uma técnica perfeita para imagens integrativas e correlativas. No entanto, o preparo da amostra para a tomografia celular in situ não é simples, pois as células não se fixam prontamente e se estendem sobre a grade de microscopia eletrônica. Além disso, as próprias grades são frágeis e podem quebrar se manuseadas com muita força, resultando na perda de áreas imagináveis. A geometria das placas de cultura de tecidos também pode representar um desafio ao manipular as grades com pinças. Aqui, descrevemos as dicas e truques para superar esses (e outros) desafios e preparar amostras de boa qualidade para criotomografia celular in situ e imagens correlativas de células aderentes de mamíferos. Com os avanços contínuos na tecnologia de criomicroscopia, esta técnica é uma enorme promessa para o avanço da nossa compreensão de sistemas biológicos complexos.
A criotomografia celular in situ é uma técnica poderosa que permite o estudo de estruturas biologicamente relevantes em células sem fixação química. Ao fixar células a grades EM e congelá-las em um criogênio, objetos de interesse são congelados em seus contextos celulares naturais sem a formação de gelo cristalino a partir de água intracelular 1,2. Tanto a fixação química quanto a formação de gelo cristalino podem romper as estruturas de moléculas relevantes, como proteínas e lipídios, reduzindo a precisão biológica das imagens obtidas por essas técnicas 3,4. Na tomografia, grades são imageadas em ângulos incrementais usando microscopia eletrônica, e essas imagens são então usadas para construir representações tridimensionais da região alvofotografada5. A criotomografia in situ pode ser usada em conjunto com outras técnicas de microscopia para imagens integrativas e correlativas, como criofluorescência, tomografia de raios X moles e crioFIB/MEV (criogênico Focused Ion Beam/Scanning Electron Microscopy)6,7,8,9,10,11 . A integração de múltiplas técnicas permite obter mais informações sobre uma estrutura ou processo do que qualquer técnica de microscopia isolada poderia alcançar.
Apesar de todos os benefícios da criotomografia celular in situ , a preparação da amostra pode ser um desafio por uma variedade de razões. Devido à sua fragilidade, a manipulação forçada das grades de microscopia eletrônica pode levar a danos, com a fina camada de carbono em particular sendo delicada e propensa a rasgar, reduzindo a área imaginável das grades. As grades de microscopia eletrônica também são difíceis de manipular devido ao seu pequeno tamanho e são propensas a se desprender da superfície dos poços ou microlâminas usadas para cultivar células. A manipulação das grades dentro dos poços ou microlâminas pode ser difícil devido à geometria destes. A preparação inadequada das grades (por exemplo, permitindo que elas flutuem) pode levar a uma baixa densidade celular e reduzir o número de áreas potenciais de imagem, especialmente quando as células não são propensas a se conectar às próprias grades. Para a criotomografia celular direta, as células devem se espalhar muito finas, o que pode ser interrompido por muitas razões, incluindo temperaturas inadequadas ou manuseio áspero das grades.
Através de uma variedade de otimizações, as técnicas apresentadas neste artigo destinam-se a lidar com essas armadilhas mais comuns que surgem durante a preparação de grades de microscopia eletrônica para criotomografia. O uso de pinças anguladas 5/15 permite a manipulação de grades dentro de placas de poço ou microlâminas. Uma solução de fibronectina aplicada em ambos os lados das grades antes do revestimento torna as grades flutuantes menos prováveis, o que é benéfico para garantir que as grades tenham densidade celular adequada e que as grades tenham menos probabilidade de serem danificadas devido à manipulação. Ao manter as grades incubadas a 37°C até pouco antes do congelamento, também garantimos que as células sejam mantidas em um ambiente confortável para evitar que as células retraiam suas bordas finas. Manchar as grades do lado de trás também evita danos às células pela força mecânica. Em conjunto, essas medidas aumentam a taxa de sucesso do preparo de amostras para estudos de criotomografia celular in situ , aumentando a acessibilidade dessa abordagem de imagem.
1. Preparação da grelha
NOTA: No planejamento experimental, planeje um máximo de 8-12 grades totais por sessão de congelamento de mergulho e 4-5 grades por poço. Mais do que isso, levará a uma sessão de congelamento de mergulho muito longa, o que pode causar aumento do estresse celular, contaminação por gelo e erros do usuário.
2. Grades de semeadura
3. Transfecção
4. Congelamento por imersão
NOTA: Mantenha as células a 37 °C até ser necessário para a mancha. Além disso, certifique-se de anotar o lado carbono das grades durante todo o processo.
Após a cotransfecção de HIViGFPΔEnv e psPAX2, todas as grades apresentaram ruptura mínima na camada de carbono. As grades foram obtidas por meio de microscopia de fase e fluorescente 24 h após a incubação com o reagente de transfecção (Figura 2). As células nas grades simuladas e nas grades co-transfectadas continham células viáveis em vários quadrados de grade.
psPAX2 codifica para todas as proteínas estruturais e enzimáticas do HIV-1 sem qualquer marcação de fluorescência. HIViGFPΔEnv é semelhante ao psPAX2, mas com códigos para uma proteína HIV Gag marcada com GFP. Ambos os plasmídeos são ΔEnvelope. A cotransfecção resulta em montagem nativa e brotamento de partículas fluorescentes do HIV-1, tornando este um ótimo sistema para estudos CLEM do HIV em condição de Nível de Biossegurança 1. As grades co-transfectadas mostraram um subconjunto de células exibindo fluorescência verde, indicando sucesso na cotransfecção. Nenhuma célula na grade simulada exibiu fluorescência, validando ainda mais a cotransfecção usando HIViGFPΔEnv e psPAX2. Após a visualização das grades usando microscopia baseada em luz, as grades foram congeladas e movidas para armazenamento de longo prazo em nitrogênio líquido.
A Figura 3 mostra os resultados de grades produzidas usando o mesmo método experimental, mas utilizando construções de plasmídeos ligeiramente diferentes. Grades contendo U2OS foram co-transfectadas usando diferentes clones de HIV (HIVmCherryΔEnv e NL4-3ΔEnvGFP na proporção de 1:6). Como foi utilizada uma maior massa de plasmídeos marcados fluorescentemente, essas grades possibilitaram a observação de um maior número de células transfectadas, proporcionando uma vantagem na captura de imagens utilizando crioCLEM e crioET. Usando crioCLEM, atlas de grade completa foram gerados para cada grade usando microscopia de criofluorescência para registrar a localização de todas as células co-transfectadas. Com a localização das células conhecidas, realizou-se o crioTE. Um atlas completo de grade de baixa magnificação foi coletado e sobreposto com o atlas fluorescente coletado em criofluorescência (Figura 3A). Criomogramas foram coletados em sítios celulares capturando detalhes intrincados do ciclo de vida viral, incluindo a montagem e brotamento do HIV a partir das células (Figura 3B).
Figura 1: Propagação de células no fluxo de trabalho de grades. Um esquema descrevendo o procedimento geral para semear células em grades crioEM. O processo é dividido em quatro etapas principais, incluindo (A) a preparação de grades nos poços para semeadura, (B) a adição da quantidade adequada de células a cada poço, (C) a transfecção opcional de células para imagens fluorescentes e (D) o congelamento por imersão de grades para permitir a vitrificação da amostra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Cotransfecção de U2OS usando HIViGFPΔEnv e psPAX2. Células U2OS foram co-transfectadas com HIViGFPΔEnv contendo GFP e psPAX2 na proporção de 1:3. As grades foram imageadas por contraste de fase e microscopia de fluorescência. As células que demonstraram ter expressão de GFP indicam cotransfecção bem-sucedida. Barra de escala: 500 μm. Barra de escala (insets): 100 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Potenciais métodos criológicos a jusante . (A) Uma imagem crioCLEM com células U2OS co-transfectadas. As células em verde representam as células produtoras de HIV e são usadas para medir o sucesso da cotransfecção. Puncta vermelho representam mCherry marcado HIV-1 Gag. Barra de escala: 250 μm. Barra de escala (inset): 25 μm (B) Uma imagem crioET de múltiplas partículas de HIV brotando da membrana plasmática de células U2OS. Barra de escala: 50 nm Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Aqui, fornecemos um protocolo acessível, flexível e reprodutível para células de sementes em grades de microscopia eletrônica para aplicações em tomografia crioeletrônica in situ . Este método pode ser facilmente adaptado para atender às necessidades de aplicações a jusante e/ou requisitos experimentais. Além da grande flexibilidade, descrevemos um fluxo de trabalho que otimiza e reduz armadilhas comuns na semeadura de grade, notavelmente danos extensos à camada de carbono, baixa densidade celular e baixa integridade estrutural de projeções de células finas.
Embora o protocolo aqui descrito forneça várias alternativas, existem algumas etapas críticas que devem ser seguidas para otimizar os resultados gerais. Um dos maiores problemas com a semeadura de células de grade é o desprendimento e flutuação de grades do poço ou microslide. Portanto, é importante molhar totalmente a grade com uma solução aderente em ambos os lados e evitar que ela seque durante o período de incubação. Se estiver usando suportes de grade impressos em 3D, esteja ciente de que várias mudanças de mídia para esses suportes têm o potencial de produzir grades flutuantes, uma vez que o ar preso sob a grade pode forçá-lo a sair do suporte.
Nossa escolha de pinças também melhora a qualidade da grade na forma de fornecer uma maneira geometricamente favorável de manipular as grades sem flexão extensa da grade que danificaria a camada de carbono. Manter as células a 37 °C pelo maior tempo possível antes de mergulhar reduz o sofrimento celular e melhora o número de células finas na grade. Finalmente, a mancha do lado dourado protegerá as células de forças mecânicas severas que podem levar a danos em estruturas celulares frágeis.
Embora não incluído neste protocolo, a foto-micropadronização em grade mostrou aumentar o número de células imageáveis otimizando sua fixação ao centro dos quadrados da grade14. Finalmente, suportes de grade impressos em 3D foram usados recentemente para reduzir danos à rede, limitando a manipulação direta da grade12.
Pode ser importante notar que este protocolo é otimizado para obtenção de imagens de bordas finas e saliências de células para a aplicação da criotomografia. Sugerimos solucionar uma variedade de condições a partir de nossas recomendações no protocolo para encontrar o melhor resultado para as aplicações a jusante de escolha. No geral, este protocolo fornece um método confiável e versátil de semear células em grades que podem ser ajustadas para necessidades específicas.
Os autores declaram não haver interesses concorrentes.
Gostaríamos de agradecer ao laboratório Mansky pelo acesso ao equipamento de congelamento de imersão. Parte deste trabalho foi realizado na instalação de caracterização da Universidade de Minnesota, que recebe apoio parcial da National Science Foundation (NSF) por meio do Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC; Prêmio Número DMR-2011401) e a National Neuroscience Curriculum Initiative (NNCI; Prêmio Número ECCS-2025124) programas. Agradecemos o financiamento do Centro de Comportamento do HIV em Ambientes Virais (B-HIVE; 1U54AI170855-01) e do Duke Center for HIV Structural Biology (DCHSB; U54AI170752) centro.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 nm colloidal gold bead solution | Sigma-Aldrich | 741957 | |
6 well multidish, 100/CS | Fisher Scientific | FB012927 | |
Allegra V-15R Benchtop Centrifuge, IVD 120 V 60 Hz | Beckman-Coulter | C63125 | |
Au G300F1 with R2/2 Quantifoil carbon | Quantifoil | TEM-G300F1-AU | |
Bovine serum albumin | MilliporeSigma | A9647 | |
BRAND counting chamber BLAUBRAND Neubauer improved | Sigma-Aldrich | BR717805-1EA | |
DMi1 Inverted Microscope | Leica | 22A00G119 | |
Dulbecco's modified eagle's medium - high glucose, no glutamine | Gibco | 11-960-044 | |
Dumont 5/15 tweezer | Electron Microscopy Sciences | 0103-5/15-PO | |
EM GP2 | Leica | 587085 | Automated plunge freezer |
Fetal Bovine Serum | Gibco | A5209 | |
Fibronectin from bovine plasma, cell culture grade | MilliporeSigma | F1141 | |
GenJet version II in vitro DNA transfection reagent | SignaGen Laboratories | SL100489 | |
GlutaMAX I 100x | Fisher Scientific | 35050061 | Media supplement |
Neslab EX-211 Heating Circulator | Neslab | Out of production | Water bath for media warming |
Original Portable Pipet-Aid Pipette Controller | Drummond Scientific | 4-000-100 | |
PBS, pH 7.4 | Gibco | 10010023 | |
Pelco easyGlow device | Pelco | 91000S | Glow discharge device |
Penicillin-Streptomycin | Sigma-Aldrich | P0781 | Media supplement |
Pipetman P1000, 100–1000 µL, Metal Ejector | Gilson | F144059M | |
Pipetman P2, 0.2–2 µL, Metal Ejector | Gilson | F144054M | |
Pipetman P20, 2–20 µL, Metal Ejector | Gilson | F144056M | |
Whatman number 2 filter paper, 55 mm | Whatman | 28455-041 | Blotting paper |
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