Visualisatie van endosoom Dynamiek in woon zenuwuiteinden met vier-dimensionale Fluorescentie Imaging
Summary
Vierdimensionale (4D) beeldvorming wordt gebruikt om het gedrag en interacties tussen twee soorten endosomen in levende gewervelde zenuwuiteinden bestuderen. Beweging van deze kleine structuren wordt gekenmerkt in drie dimensies, waardoor de bevestiging van evenementen zoals endosome fusie en de exocytose.
Abstract
Vier-dimensionale (4D) lichte afdruk is gebruikt om het gedrag van kleine structuren te bestuderen binnen motorische zenuwuiteinden van de dunne transversus abdominis van de kousenband slang. Ruwe data omvat time-lapse sequenties van 3D z-stacks. Elke stapel bevat 4-20 beelden die met epifluorescentie optiek bij focale vliegtuigen gescheiden door 400-1,500 nm. Stappen in de overname van het beeld stacks, zoals aanpassing van de focus, schakelen van excitatiegolflengten, en de werking van de digitale camera, zijn geautomatiseerde zo veel mogelijk op de foto te maximaliseren en minimaliseren van weefselschade door blootstelling aan licht. Na verwerving wordt een reeks afbeeldingsstapels deconvolved ruimtelijke resolutie te verbeteren, omgezet in het gewenste 3D-formaat, en gebruikt om een 4D "film" die geschikt is voor verschillende computergestuurde analyse, afhankelijk van de gevraagde experimentele gegevens. Een toepassing is studie van het dynamisch gedrag van twee klassen van endosomes gevonden in zenuwuiteinden-macroendosomes (MES)en zure endosomen (AE) die afmetingen (200-800 nm voor beide) op of nabij de diffractie limiet. Toegang tot de 3D-informatie op elk tijdstip biedt een aantal voordelen ten opzichte van conventionele time-lapse imaging. In het bijzonder kunnen de grootte en de snelheid van beweging van structuren gekwantificeerd tijd zonder verlies van scherpstelling. Voorbeelden van gegevens van 4D beeldvorming blijkt dat ME's benaderen de plasmamembraan en verdwijnen, wat suggereert dat ze in plaats van zijn exocytosed gewoon verticaal verplaatsen uit de buurt van een enkel vlak van focus. Ook geopenbaard is putatieve fusie van MES en AEs door visualisatie van overlap tussen de twee kleurstof bevattende structuren gezien in elk drie orthogonale projecties.
Introduction
Time-lapse beeldvorming van levend weefsel biedt visuele toegang tot dynamische structuur-functie relaties die niet kunnen worden gewaardeerd in vaste of leven voorbereidingen afgebeeld op een enkel punt in de tijd. Vaak echter het nadeel van toegang tot temporele informatie een afname van optische resolutie. Hoge numerieke apertuur olie-immersie doelstellingen zijn onpraktisch in levend weefsel vanwege hun smalle bandbreedte van focus, waardoor het water onderdompeling of droog doelstellingen als de enige alternatieven. Bovendien kan de verhoogde resolutie geboden door confocale optica niet worden gebruikt in bepaalde levende preparaten vanwege fototoxiciteit van de relatief hoge niveaus van verlichting vereist 1,2. Tot slot, terwijl een aantal real-time of time-lapse-optische technieken beschikbaar die bieden verbeterde resolutie, wordt hun toepasbaarheid beperkt tot preparaten structuren van belang kan worden gepositioneerd binnen een paar honderd nanometer van de doelstelling 1. De werkwijze beschrevenmaakt gebruik van relatief goedkope apparatuur, is veelzijdig, maar biedt een betere resolutie vergelijking met de meer algemeen gebruikte time-lapse technieken. Het is bedoeld voor gebruik in elk laboratorium en beeldvormingsapparatuur.
De werkwijze gebruikt conventionele epifluorescentie microscopie, gecombineerd met een gevoelige digitale camera en hardware waarmee snel reeksen afbeeldingen ophalen op iets verschillende beeldvlakken (z-stacks). Elke z-stack wordt digitaal deconvolved de resolutie te verhogen. Een kenmerk van 3D time-lapse (4D) beeldvorming is nauwkeurig volgen van bewegende organellen of andere structuren. Wanneer goed ingesteld, hoeft afgebeeld structuren niet uit te gaan van de focus en beweging in drie richtingen kan worden waargenomen en gekwantificeerd. Dus het is onmogelijk voor een gebrandschilderd structuur te verdwijnen over een of meer time-lapse frames alleen door drijven boven of onder een smalle focal plane. De methode dient ook als een gevoelig instrument voor de beoordeling van de interacties en mogelijke funing van kleine structuren. Conventionele epifluorescentie of confocale beelden van de structuren in de buurt van de diffractie limiet (een paar honderd nm) niet bevestigen fusie ook al samengevoegd beelden tonen overlap van hun respectievelijke labels 3. Fusie wordt voorgesteld, maar blijft het mogelijk dat de objecten horizontaal of verticaal zijn gescheiden door een afstand die onder de diffractie limiet. Drie of vier-dimensionale beeldvorming, daarentegen, maakt het bekijken van de objecten in elke van de drie orthogonale richtingen. Het uiterlijk van de fusie in alle drie weergaven verhoogt het niveau van zekerheid. En, in sommige levende preparaten, gericht of Brownse beweging van vermoedelijk gesmolten voorwerpen bewijst eens te meer wanneer beide labels gaan samen in de tijd. Natuurlijk, toen in de buurt van de diffractie limiet van het niveau van zekerheid in het onderscheiden structuren van de achtergrond, of waaruit blijkt dat zij twee kleurstoffen (fusie) bevatten, is niet absoluut. Eventueel gespecialiseerde technieken zoals fluorescentie resonantie energieoverdracht (FRET)4, zijn meer geschikt.
Protocol
Representative Results
Discussion
De meest kritische aspect van 4D beeldvorming is beheer van de duur en intensiteit van blootstelling aan licht. Fotobleken vermindert het signaal-ruisverhouding en kan problematisch of niet, afhankelijk van verschillende factoren, waaronder keuze van fluoroforen zijn. Niet-specifieke schade aan levend weefsel (fototoxiciteit) is gerelateerd aan fotobleken, en kan soms worden geïdentificeerd met fluorescerende probes daartoe ingerichte 2,12 of door onderzoek van de morfologie helderveld met geschikte optica, …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de US National Institutes of Health Grant NS-024572 (RSW).
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagents: | |||
| SGC5 | Biotium [Hayward, CA] | 70057 | Final conc:10 mM |
| FM1-43FX | Invitrogen [Carlsbad, CA] | F35335 | Final conc:7 mM |
| LysoTracker Red | Invitrogen [Carlsbad, CA] | L7528 | Final conc:0.2 mM |
| Solutions: | |||
| Reptilian Ringers pH 7.2 | |||
| NaCl | 145 mM | ||
| KCl | 2.5 mM | ||
| CaCl2 | 3.6 mM | ||
| MgSO4 | 1.8 mM | ||
| KH2PO4 (Dibasic) | 1.0 mM | ||
| HEPES | 5.0 mM | ||
| High KCL Reptilian Ringers pH 7.2 | |||
| NaCl | 86 mM | ||
| KCl | 60 mM | ||
| CaCl2 | 3.6 mM | ||
| MgSO4 | 1.8 mM | ||
| KH2PO4 (Dibasic) | 1.0 mM | ||
| HEPES | 5.0 mM | ||
| High Sucrose Ringers pH 7.2 | |||
| NaCl | 145 mM | ||
| KCl | 2. 5 mM | ||
| CaCl2 | 3.6 mM | ||
| MgSO4 | 1.8 mM | ||
| KH2PO4 (Dibasic) | 1.0 mM | ||
| HEPES | 5.0 mM | ||
| Sucrose | 0.5 M (17.1 gm/50 mL) | ||
| Equipment: | |||
| Name | Company | Comments | Comments(website) |
| Axioplan 200 inverted microscope | Carl Zeiss [Thornwood, NY] | www.zeiss.com | |
| N-Achroplan 63X water objective; n.a.=0.9; Working distance=2.4mm | Carl Zeiss [Thornwood, NY] | www.zeiss.com | |
| DG4 combination light source/excitation filterwheel switcher | Sutter instruments [Novato, CA] | 175W Xenon arc lamp | www.sutter.com |
| Lambda 10-2 emission filterwheel switcher | Sutter instruments [Novato, CA] | www.sutter.com | |
| Sensicam CCD camera | Cooke Instruments [Tonawanda, NY] | www.cookecorp.com | |
| Cascade 512 CCD camera | Photometrics [Tucson, AZ] | www.photometrics.com | |
| Imaging dishes- made in-house-11cm dia.; 25 mm dia. #1 coverslip embedded; magnetic pins | |||
| Software: | |||
| Name | Company | Comments | Comments(website) |
| Slidebook 5.0 | Intelligent Imaging Innovations [Denver, CO] | Deconvolution; Drift correction;3D and 4D data presentation | www.intelligent-imaging.com |
| IMARIS 7.5.2 | Bitplane [South Windsor, CT] | Drift correction; 3D and 4D data presentation | www.bitplane.com |
| AfterEffects CS6 | Adobe [San Jose, CA] | Drift correction | www.adobe.com |
| ImageJ 1.46 | National Institutes of Health [Bethesda, MD] | Multiple plugins available;Stereo pair construction | http://rsbweb.nih.gov/ij |
| Zeiss LSM | Carl Zeiss [Thornwood, NY] | Stereo pair construction | www.zeiss.com |
References
- Frigault, M. M., Lacoste, J., Swift, J. L., Brown, C. M. Live-cell microscopy-tips and tools. J. Cell Sci. 122 (6), 753-767 (2009).
- Tinevez, J. -. Y., et al. A quantitative method for measuring phototoxicity of a live cell imaging microscope. Meth. Enzymol. 506, 291-309 (2012).
- Dunn, K. W., Kamocka, M. M., McDonald, J. H. A practical guide to evaluating colocalization in biological microscopy. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 300, (2011).
- Snapp, E. L., Hegde, R. S. Rational design and evaluation of FRETexperiments to measure proteinproximities in cells. Curr. Protoc. Cell Biol. 17, (2006).
- Stewart, R. S., Teng, H., Wilkinson, R. S. Late” macroendosomes and acidic endosomes in vertebrate motor nerve terminals. J. Comp. Neurol. 520, 4275-4293 (2012).
- Teng, H., Lin, M. Y., Wilkinson, R. S. Macroendocytosis and endosome processing in snake motor boutons. J. Physiol. 582, 243-262 (2007).
- McNally, J. G., Karpova, T., Cooper, J., Conchello, J. A. Three-dimensional imaging by deconvolution microscopy. Methods. 19, 373-385 (1999).
- Swedlow, J. R., Platani, M. Live cell imaging using wide-field microscopy and deconvolution. Cell Struct. Funct. 27, 335-341 (2002).
- Cromey, D. W., Taatjes, D. J., Roth, J. Digital images are data: and should be treated as such. Methods Mol. Biol. 931, 1-27 (2013).
- Teng, H., Wilkinson, R. S. Clathrin-mediated endocytosis near active zones in snake motor terminals. J. Neurosci. 20 (21), 7986-7993 (2000).
- Teng, H., Cole, J. C., Roberts, R. L., Wilkinson, R. S. Endocytic active zones: hot spots for endocytosis in vertebrate nerve terminals. J. Neurosci. 19 (12), 4855-4866 (1999).
- Tan, T. T. T., Khaw, C., Ng, M. M. L., Mendez-Vilas, A., Diaz, J. Challenges and recent advances in live cell bioimaging. Microscopy: Science, Technology, Applications and Education. , 1495-1505 (2010).
- Verbrugghe, K. J. C., Chan, R. C. Imaging C. elegans embryos using an epifluorescent microscope and open source software. J. Vis. Exp. (49), (2011).
