화학 고정하여 X-ray 형광 이미징 부착 세포를 준비
Summary
Here, we present a protocol on how to determine the quantity and distribution of metals in a sample using synchrotron X-ray fluorescence. We focus on adherent cells, and describe the chemical fixation method to prepare this sample. We then describe how to mount and image the sample using synchrotron X-rays.
Abstract
X-ray fluorescence imaging allows us to non-destructively measure the spatial distribution and concentration of multiple elements simultaneously over large or small sample areas. It has been applied in many areas of science, including materials science, geoscience, studying works of cultural heritage, and in chemical biology. In the case of chemical biology, for example, visualizing the metal distributions within cells allows us to study both naturally-occurring metal ions in the cells, as well as exogenously-introduced metals such as drugs and nanoparticles. Due to the fully hydrated nature of nearly all biological samples, cryo-fixation followed by imaging under cryogenic temperature represents the ideal imaging modality currently available. However, under the circumstances that such a combination is not easily accessible or practical, aldehyde based chemical fixation remains useful and sometimes inevitable. This article describes in as much detail as possible in the preparation of adherent mammalian cells by chemical fixation for X-ray fluorescent imaging.
Introduction
형광 이미징은 정체성과 샘플에 존재하는 원소의 양을 모두 허용 X 선은 공간적으로 해결한다. 입사 X 선은, 주목 무거운 요소의 결합 에너지 전자보다 크도록 선택된 에너지, 핵 (1)에 내측 쉘 전자의 결합 에너지를 극복. 이 전자 껍질에 '구멍'을 만듭니다. 높은 에너지의 전자가이 구멍으로 아래로 떨어질 때, 형광 X 선 파장이 그 궤도의 에너지 분리에 의존 방출된다. 오비탈의 에너지 간격은 주어진 요소의 특징이기 때문에, X 선 형광 발광 소자는 파장에 의존하는 특성을 갖는다. 그것은 본 요소의 식별을 허용 특성이 파장에서 발광된다. 형광 강도의 보정은 본 소자의 정량을 허용한다.
X 선 형광 microscopY (XFM)는 부분적으로 같은 봄-8 일본, 유럽 방사선 싱크로 시설 프랑스 (ESRF) 및 고급 광자 소스 (의 것과 매우 화려한 X 선 싱크로트론 소스의 개발, 점점 더 활용되고있다 미국 2 APS). 이 소스는 매우 높은 강도의 X 선 빔을 제공한다. 동시에, 이러한 존 플레이트 기술과 같은 X 선 광학 개선은 다소 비효율적 3이라도 서브 마이크론 이러한 스폿 빔의 포커싱을 허용했다. 매우 고강도 빔, 현재 이용 가능한 기술을 검출기로 측정 할 수있는 세포에서 내인성 금속을 자극하기에 충분하다 집중 될 수 광의 심지어 비교적 소량 생산 신호. 따라서, 셀에서 금속의 화학 생물학을 연구하는 것은이 기술 4-10 최근 개발 많은 이용한다 특히 하나의 애플리케이션이다.
앱 동안 고려해야 할 많은 중요한 요소가 있습니다XFM을 누워 배양 된 포유 동물 세포 또는 다른 생물학적 시료의 원소 분포와 정량화를 조사합니다. 첫째, 샘플은 의미있는 것으로 측정 위해서는, 모두 구조적 및 원소 조성에 대하여, 그대로 유지되어야한다. 그것이 집광 X 선 빔에 의해 야기 될 수 방사선 손상에 강건한되도록 둘째, 표본은 어떠한 방법으로 보존되어야한다. 시료가 한 번에 이러한 기준을 모두 만족시킬 수있는 한 가지 방법은 급속 유리체, 비결정질 얼음 11,12으로 고정된다는 것이다. 급속 동결은 종종 플 런지 동결 또는 높은 압력이 13 ~ 16 동결 등 다양한 냉동 보존 기술을 통해 달성된다. 그것은 일반적으로 냉동 보존이 가능한 원시 상태에 가까운 생물학적 샘플에서 전체 세포의 구조와 화학 성분을 보존하는 것이 허용됩니다. 세포 및 조직 내로의 고정 제 느리고 침투로 인한 선택적 한편 화학 고정, w로서엘 막 투과성과 같은 이후의 변화는 다양한 세포 이온 특히 CL, 칼슘과 K로 확산 이온 따라서 17 ~ 19 차선의 이러한 요소의 조사를 렌더링, 침출 손실 또는 이전 할을 허용 할 수있다. 특히 부착 포유 동물 세포의 일반적인 화학 고정, 이상 극저온 고정의 분명한 이점에도 불구하고, 동결 보존은 다양한 한계 20-23있다. 가장 눈에 띄는 사람은 없습니다 모든 연구소가 냉동 보존 장비에 쉽게 접근 할 수 있다는 것입니다. 심지어 현재 대부분의 고압 냉장고 또는 냉동고는 지금까지 세포가 배양되는 곳에서 할 수있다 냉동 시설의 부분 집합에 의해 비용과 소유 뛰어 들다. 냉동 보존의 장점은 셀에 배치 여행 스트레스의 단점과 교환 될 수 있습니다. 동결 반드시 X 선 형광 분석을위한 샘플을 보존하는 방식으로 가장 엄격한 동안 따라서, 확실히 모든 상황에서 모든 연구에 가장 접근 아니다;않으며 항상 필수적인 – 관심 금속 단단히 고정 가능한 거대 분자에 결합하고, 샘플을 이미지화 된 해상도가 건조시 발생할 수있는 초 미세의 손상보다 큰 경우. 주의 사항 24 염두에, 화학 고정 및 건조는 적절한 선택이 될 수 있습니다.
성공적인 X-ray 형광 이미징 실험에서 다른 요소는 적절한 분석을 포함한다. X 선 형광 촬상 근본적 공간 해상도를 제공하기 위해 래스터 주사와 함께 X-ray 형광 발광 스펙트럼이다. 수집 된 X 선 형광 방출 스펙트럼은 발광 피크, 배경, 및 입사 빔의 탄성 및 비탄성 산란 피크를 겹치는 조합을 함유한다. 이러한 기여 디 컨벌루션 및 발광 피크 피팅 가능 소프트웨어는이 필드 (25)에 중요한 발달이었다. 또한, 개발 및 상업적인 DIST재료 수량 형광 강도 상대적인 보정하는 공지 된 조성물의 박막 표준 ribution도 매우 중요했다.
이 프로토콜은 화학적 고정 및 공기 건조 부착 세포의 제조에 대한 설명을 제공한다. 이 과정에서 중요한 단계는 종종 성공에 특정 패션 키에 부드러운 세정을 잘 준수하지 않는 실리콘 질화물 윈도우에있는 세포의 성장이다.
Protocol
Representative Results
Discussion
X 선 형광 이미징은 지구과학, 재료 과학, 화학 생물학 26-34 등 많은 분야에서 유용하다. 싱크로트론 X- 레이의 발전, 그리고 그들의 초점은 매우 강도 높은 빔을 생산. 집중 X 선은 현재 이용 가능한 실리콘 드리프트 검출기 기술로 측정 할 수있다 신호를 생성하는 현재 존재하는 세포에서 내인성 금속을 자극하기에 충분한 광선. 그리고 셀 내에서 금속의 화학 생물학을 연구하는 것은이 분?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge Stefan Vogt for his assistance in the fitting of the representative data shown in this paper, and helpful discussions. The authors also acknowledge Chris Jacobsen for his support to Q. J.
Use of the Advanced Photon Source, beamlines 2-ID-E and 8-BM-B, at Argonne National Laboratory was supported by the U. S. Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, under Contract No. DE-AC02-06CH11357.
Materials
| silicon nitride windows | Silson Ltd/J B J Business Park/Northampton Rd, Northampton NN7 3DW, United Kingdom | No part numbers available. Order by size. Membrane size: 1.5 mm x 1.5 mm. Thickness 500 nm. Frame size: 5 mm x 5 mm. Frame thickness: 200 µm | Alternate source: SPI Supplies / Structure Probe, Inc.West Chester, PA |
| reverse tweezers | Electron Microscopy Sciences, P.O. Box 550, 1560 Industry Road, Hatfield, PA 19440, Tel: 215-412-8400, Toll Free: 800-523-5874, Fax: 215-412-8450 | 78520-5X | EMS 5X, NC – Ultra Fine Tweezers |
| rubber grid mat | Electron Microscopy Sciences, P.O. Box 550, 1560 Industry Road, Hatfield, PA 19440, Tel: 215-412-8400, Toll Free: 800-523-5874, Fax: 215-412-8450 | 71170 | Round Grid Mat |
| acetic acid | Sigma-Aldrich, 3050 Spruce St., St. Louis, MO 63103, Tel: 800-325-3010, Fax: 800-325-5052 | 338826 | trace metals grade concentrated acetic acid |
| PIPES buffer | Sigma-Aldrich, 3050 Spruce St., St. Louis, MO 63103, Tel: 800-325-3010, Fax: 800-325-5052 | P6757 | solid PIPES buffer |
| formaldehyde stock solution | Electron Microscopy Sciences, P.O. Box 550, 1560 Industry Road, Hatfield, PA 19440, Tel: 215-412-8400, Toll Free: 800-523-5874, Fax: 215-412-8450 | RT 17113 | 10 x 10mL ampules of 20% aqueous paraformaldehyde |
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