Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Этот протокол описывает рутинный метод использования последовательной блочной сканирующей электронной микроскопии (SBF-SEM), мощного метода 3D-визуализации. Успешное применение SBF-SEM зависит от правильной фиксации и окрашивания тканей, а также тщательного рассмотрения настроек визуализации. Этот протокол содержит практические соображения для всего этого процесса.
Последовательная блочная сканирующая электронная микроскопия (SBF-SEM) позволяет коллекционировать от сотен до тысяч серийно зарегистрированных ультраструктурных изображений, предлагая беспрецедентный трехмерный вид микроанатомии тканей. В то время как sBF-SEM в последние годы наблюдается экспоненциальный рост использования, технические аспекты, такие как надлежащая подготовка тканей и параметры визуализации, имеют первостепенное значение для успеха этого метода визуализации. Эта система визуализации выигрывает от автоматизированного характера устройства, позволяя оставлять микроскоп без присмотра во время процесса визуализации, с автоматизированным сбором сотен изображений, возможных за один день. Однако без соответствующей тканевой подготовки клеточная ультраструктура может быть изменена таким образом, что могут быть сделаны неправильные или вводящие в заблуждение выводы. Кроме того, изображения генерируются путем сканирования лицевой стороны блока биологического образца, встроенного в смолу, и это часто создает проблемы и соображения, которые необходимо решить. Накопление электронов внутри блока во время визуализации, известное как «заряд ткани», может привести к потере контраста и неспособности оценить клеточную структуру. Более того, в то время как увеличение интенсивности / напряжения электронного пучка или снижение скорости сканирования пучка может увеличить разрешение изображения, это также может иметь неприятный побочный эффект повреждения смоляного блока и искажения последующих изображений в серии изображений. Здесь мы представляем рутинный протокол подготовки образцов биологических тканей, который сохраняет клеточную ультраструктуру и уменьшает заряд тканей. Мы также предоставляем визуальные соображения для быстрого получения высококачественных серийных изображений с минимальным повреждением тканевого блока.
Последовательная блочная сканирующая электронная микроскопия (SBF-SEM) была впервые описана Лейтоном в 1981 году, где он создал сканирующий электронный микроскоп, дополненный встроенным микротомом, который мог разрезать и визуализировать тонкие участки ткани, встроенные в смолу. К сожалению, технические ограничения ограничили его использование проводящими образцами, поскольку непроводящие образцы, такие как биологическая ткань, накапливали неприемлемые уровни зарядки (накопление электронов в образцеткани) 1. В то время как покрытие грани блока между разрезами испаривающимся углеродным снижением тканевой зарядки, это значительно увеличило время получения изображений и хранения изображений оставалось проблемой, поскольку компьютерные технологии в то время были недостаточны для управления большими размерами файлов, созданных устройством. Эта методология была пересмотрена Denk и Horstmann в 2004 году с использованием SBF-SEM, оснащенного камерой переменного давления2. Это позволило ввести водяной пар в камеру визуализации, что уменьшает заряд внутри образца, делая визуализацию непроводниковых образцов жизнеспособной, хотя и с потерей разрешения изображения. Дальнейшие усовершенствования в методах подготовки тканей и визуализации теперь позволяют проводить визуализацию с использованием высокого вакуума, а визуализация SBF-SEM больше не полагается на водяной пар для рассеивания заряда3,4,5,6,7,8,9. В то время как sBF-SEM в последние годы наблюдается экспоненциальный рост использования, технические аспекты, такие как надлежащая подготовка тканей и параметры визуализации, имеют первостепенное значение для успеха этого метода визуализации.
SBF-SEM позволяет автоматически получать тысячи серийно зарегистрированных изображений электронной микроскопии с планарным разрешением до 3-5 нм10,11. Ткань, пропитанная тяжелыми металлами и встроенная в смолу, помещается в сканирующий электронный микроскоп (SEM), содержащий ультрамикротом, оснащенный алмазным ножом. Алмазным ножом ограняется плоская поверхность, нож убирается, а поверхность блока сканируется в растровом рисунке электронным пучком для создания изображения ультраструктуры ткани. Затем блок поднимается на определенное количество (например, 100 нм) по оси z, известное как «z-шаг», и новая поверхность разрезается перед повторением процесса. Таким образом, создается 3-мерный (3D) блок изображений по мере разрезания ткани. Эта система визуализации также выигрывает от автоматизированного характера устройства, позволяя оставлять микроскоп без присмотра во время процесса визуализации, с автоматизированным сбором сотен изображений, возможных за один день.
В то время как визуализация SBF-SEM в основном использует обратно рассеянные электроны для формирования изображения лица блока, вторичные электроны генерируются во время процесса визуализации12. Вторичные электроны могут накапливаться вместе с обратно рассеянными и первичными пучковыми электронами, которые не покидают блок, и производить «заряд ткани», что может привести к локализованному электростатическому полю на грани блока. Это накопление электронов может исказить изображение или привести к выбросу электронов из блока и способствовать сигналу, собранного детектором обратного рассеяния, уменьшая отношение сигнал/шум13. В то время как уровень заряда тканей может быть уменьшен за счет снижения напряжения или интенсивности электронного пучка или уменьшения времени пребывания пучка, это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум14. Когда используется электронный пучок более низкого напряжения или интенсивности, или пучку разрешено обитать только в пределах каждого пиксельного пространства в течение более короткого периода времени, меньше обратно рассеянных электронов выбрасывается из ткани и захватывается электронным детектором, что приводит к более слабому сигналу. Денк и Хорстманн решли эту проблему, вводя водяной пар в камеру, тем самым уменьшая заряд в камере и на лицевой стороне блока за счет разрешения изображения. При давлении в камере 10-100 Па часть электронного пучка рассеивается, способствуя шуму изображения и потере разрешения, однако это также производит ионы в камере образца, которые нейтрализуют заряд в блоке образца2. Более поздние методы нейтрализации заряда внутри блока образца используют фокальный газовый впрыск азота по лицевой стороне блока во время визуализации или введение отрицательного напряжения на ступень SBF-SEM для уменьшения энергии зонда-пучка-зацепки и увеличения собранного сигналана 6,7,15. Вместо того, чтобы вводить смещение ступени, давление в камеру или локализованную инъекцию азота для уменьшения накопления заряда на поверхности блока, также можно увеличить проводимость смолы путем введения углерода в смесь смолы, что позволяет более агрессивные настройки изображения16. Следующий общий протокол является адаптацией протокола Deerinck et al., опубликованного в 2010 году, и охватывает модификации методологий подготовки тканей и визуализации, которые мы сочли полезными для минимизации заряда тканей при сохранении получения изображений с высоким разрешением3,17,18,19. В то время как ранее упомянутый протокол сосредоточен на обработке тканей и пропитке тяжелыми металлами, этот протокол дает представление о визуализации, анализе данных и рабочем процессе реконструкции, присущем исследованиям SBF-SEM. В нашей лаборатории этот протокол был успешно и воспроизводимо применен к широкому кругу тканей, включая структуры роговицы и переднего сегмента, веко, слезную и более твердую железу, сетчатку и зрительный нерв, сердце, легкие и дыхательные пути, почки, печень, мышцы кремастера и кору головного мозга / продолговатый мозг, а также у различных видов, включая мышь, крысу, кролика, морскую свинку, рыбу, монослойные и стратифицированные клеточные культуры, свиней, нечеловеческих приматов, а также человека20,21,22,23. Хотя небольшие изменения могут быть полезны для конкретных тканей и приложений, этот общий протокол оказался очень воспроизводимым и полезным в контексте нашего основного средства визуализации.
Все животные обрабатывались в соответствии с руководящими принципами, описанными в Заявлении Ассоциации исследований в области зрения и офтальмологии для использования животных в исследованиях зрения и офтальмологических исследованиях и Руководящих принципах обращения с животными Колледжа оптометрии Университета Хьюстона. Все процедуры для животных были одобрены учреждениями, в которых они обрабатывались: процедуры для мышей, крыс, кроликов, морских свинок и нечеловеческих приматов были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Университета Хьюстона, процедуры для рыбок данио были одобрены Комитетом по уходу за животными и использованию животных Университета ДеПау, а процедуры для свиней были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Медицинского колледжа Бейлора. Все человеческие ткани были обработаны в соответствии с Хельсинкской декларацией в отношении исследований тканей человека, и было получено соответствующее одобрение институционального наблюдательного совета.
1. Обработка тканей
2. Подготовка блока
ПРИМЕЧАНИЕ: Метод будет зависеть от того, как образец ориентирован в блоке и как будет происходить секционирование. Однако наиболее распространенная ориентация ткани обнаруживает ткань, центрированную в кончике смоляного блока, перпендикулярную длинному концу смоляного блока.
3. Настройки SEM для визуализации лица блока
ПРИМЕЧАНИЕ: Приведенные ниже настройки изображения были созданы на устройстве, используемом авторами, которое указано в таблице материалов. Хотя это устройство способно к визуализации с переменным давлением, наилучшие результаты были получены при высоком вакууме.
Роговица мыши
Этот протокол широко применялся к роговице мыши. Было показано, что с помощью визуализации SBF-SEM сеть пучков микрофибрила без эластина (EFMB) присутствует в роговице взрослой мыши. Ранее считалось, что эта сеть присутствовала только во время эмбрионального и ранне?...
Целью данной работы по методам является освещение методологии подготовки и визуализации тканей, которая позволила нашей лаборатории надежно захватывать изображения серийной электронной микроскопии высокого разрешения, и указать на критические шаги, которые приводят к этому результ...
Авторам нечего раскрывать.
Мы хотели бы поблагодарить д-ра Сэма Хэнлона, Эвелин Браун и Маргарет Гондо за их прекрасную техническую помощь. Это исследование было частично поддержано Национальными институтами здравоохранения (NIH) R01 EY-018239 и P30 EY007551 (Национальный институт глаз), частично Фондом льва для зрения, а частично NIH 1R15 HD084262-01 (Национальный институт детского здоровья и развития человека).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1/16 x 3/8 Aluminum Rivets | Industrial Rivet & Fastener Co. | 6N37RFLAP/1100 | Used as specimen pins. |
2.5mm Flathead Screwdriver | Wiha Quality Tools | 27225 | |
Acetone | Electron Microscopy Sciences | RT 10000 | Used to dilute silver paint. |
Aspartic Acid | Sigma-Aldrich | A8949 | |
Calcium Chloride | FisherScientific | C79-500 | |
Conductive Silver Paint | Ted Pella | 16062 | |
Denton Desk-II Vacuum Sputtering Device equipped with standard gold foil target | Denton Vacuum | N/A | This is the gold-sputtering device used by the authors, alternates are acceptable. |
Double-edged Razors | Fisher Scientific | 50-949-411 | |
Embed 812 | Electron Microscopy Sciences | 14120 | |
Gatan 3View2 mounted in a Tescan Mira3 Field emission SEM | Gatan & Tescan | N/A | This is the SBF-SEM device used by the authors, alternates are acceptable. |
Glass Shell Vials, 0.5 DRAM (1.8 ml) | Electron Microscopy Sciences | 72630-05 | |
Gluteraldehyde | Electron Microscopy Sciences | 16320 | |
Gorilla Super Glue - Impact Tough | NA | NA | Refered to as cyanoacrylate glue in text. |
Ketjen Black | HM Royal | EC-600JD | Refered to as carbon black in text. |
KOH | FisherScientific | 18-605-593 | |
Lead Nitrate | Fisher Scientific | L62-100 | |
Microwave | Pelco | BioWave Pro | This is the microwave used by the authors, alternates are acceptable. |
Osmium Tetroxide | Sigma-Aldrich | 201030 | |
Potassium Ferrocyanide | Sigma-Aldrich | P9387 | |
Silicone Embedding Mold | Ted Pella | 10504 | |
Sodium Cacodylate Trihydrate | Electron Microscopy Sciences | 12300 | |
Samco Transfer Pipette | ThermoFisher Scientific | 202 | Used to make specimen pin storage tubes. |
Swiss Pattern Needle Files | Electron Microscopy Sciences | 62115 | |
Thiocarbohydrazide | Sigma-Aldrich | 223220 | |
Uranyl Acetate | Polysciences, Inc. | 21447-25 | |
Reconstruction Software | |||
Amira Software | Thermo Scientific | N/A | Used to create the reconstructions found in figures 5-7 and 9. |
Fiji (Fiji is Just ImageJ) | ImageJ.net | N/A | TrakEM2 can be added to Fiji to asist in manual segmentation. |
Microscopy Image Browser (MIB) | University of Helsinki, Institute of Biotechnology | N/A | |
Reconstuct Software | Neural Systems Lab | N/A | |
SuRVoS Workbench | Diamond Light Source & The University of Nottingham | N/A | |
SyGlass | IstoVisio, Inc. | N/A | Allows for reconstruction in virtual reality and histogram-based reconstruction methods. |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены