Микроскопия с стимулированным комбинационным рассеянием (SRS) позволяет безметочно визуализировать биомолекулы на основе их внутренней вибрации определенных химических связей. В этом протоколе описана инструментальная установка интегрированного SRS и двухфотонного флуоресцентного микроскопа для визуализации клеточных структур в спинном мозге живых мышей.
Микроскопия с стимулированным комбинационным рассеянием (SRS) позволяет безметочно визуализировать биологические ткани в их естественном микроокружении на основе внутренней молекулярной вибрации, обеспечивая тем самым идеальный инструмент для изучения in vivo биологических процессов с субклеточным разрешением. Интегрируя двухфотонную возбужденную флуоресцентную (TPEF) визуализацию в микроскоп SRS, двухмодальная визуализация тканей in vivo может получать критически важную биохимическую и биофизическую информацию с нескольких точек зрения, которая помогает понять динамические процессы, участвующие в клеточном метаболизме, иммунном ответе и ремоделировании тканей и т. Д. В этом видеопротоколе вводится настройка системы микроскопа TPEF-SRS, а также метод визуализации спинного мозга животных in vivo . Спинной мозг, как часть центральной нервной системы, играет решающую роль в коммуникации между головным мозгом и периферической нервной системой. Миелиновая оболочка, богатая фосфолипидами, окружает и изолирует аксон, чтобы обеспечить солевую проводимость потенциалов действия. Визуализация in vivo миелиновых оболочек в спинном мозге важна для изучения прогрессирования нейродегенеративных заболеваний и травм спинного мозга. Протокол также описывает препараты животных и методы визуализации in vivo TPEF-SRS для получения биологических изображений с высоким разрешением.
Рамановская микроскопия1,2 становится мощным методом без меток для изображения биологических тканей на основе характерных частот различных химических связей в биомолекулах. Благодаря своей неинвазивной и хорошо адаптивной способности к визуализации, рамановская микроскопия широко используется для визуализации обогащенных липидами компонентов в биологических тканях, таких как миелиновая оболочка3,4,5, адипоциты6,7 и липидные капли8,9,10 . Сигнал стимулированного комбинационного рассеяния (SRS), полученный в виде стимулированного комбинационного усиления (SRG) или стимулированного рамановского рассеяния (SRL), не имеет фона, показывая идеальное спектральное сходство со спонтанным комбинационным рассеянием11,12. Кроме того, SRL и SRG линейно зависят от концентрации анализируемого вещества, что позволяет проводить количественный анализ биохимических компонентов9,11,13. Двухфотонная возбужденная флуоресцентная микроскопия (TPEF) широко используется для биологической визуализации in vivo благодаря присущей ей способности к оптическому сечению, глубине глубокого проникновения и низкой фототоксичности14,15,16. Однако производительность визуализации TPEF зависит от характеристик флуоресцентных меток, а количество разрешимых цветов ограничено из-за широкополосных флуоресцентных спектров8,17,18,19. Визуализация SRS без меток и флуоресцентная визуализация TPEF являются двумя взаимодополняющими методами визуализации, и их комбинация может обеспечить обильную биофизическую и биохимическую информацию тканей. Эти два метода визуализации основаны на нелинейных оптических (NLO) процессах, что позволяет легко интегрировать их в одну систему микроскопа. Сочетание визуализации SRS и TPEF, так называемой двойной модальной визуализации, позволяет проводить многомерную визуализацию и профилирование клеток и тканей, способствуя всестороннему пониманию сложных биологических систем. В частности, пикосекундная (ps) SRS-микроскопия может достигать визуализации химических связей с высоким спектральным разрешением по сравнению с фемтосекундным (fs) методом SRS11, что позволяет дифференцировать несколько биохимических компонентов в биологической ткани, особенно в переполненной области отпечатков пальцев20,21. Кроме того, по сравнению с другой широко используемой двухмодальной системой микроскопа NLO с интеграцией когерентного микроскопа рассеяния против Стокса (CARS), SRS демонстрирует превосходную производительность по сравнению с CARS с точки зрения спектральной интерпретации и интерпретации изображений, а также чувствительности обнаружения11. Микроскоп SRS-TPEF использовался в качестве мощного инструмента для изучения различных биологических систем, таких как Caenorhabditis elegans9,22, Xenopus laevis головастик brain5, мозг мыши23,24, спинной мозг25,26, периферический нерв27 и жировая ткань7 и т.д.
Спинной мозг вместе с головным мозгом составляет центральную нервную систему (ЦНС). Визуализация клеточной активности в ЦНС in vivo при физиологических и патологических состояниях имеет решающее значение для понимания механизмов расстройств ЦНС28,29,30 и для разработки соответствующих методов лечения31,32,33. Миелиновая оболочка, которая оборачивает и изолирует аксоны для высокоскоростной проводимости потенциала действия, играет значительную роль в развитии ЦНС. Демиелинизация считается отличительной чертой при расстройствах белого вещества, таких как рассеянный склероз34. Кроме того, после травмы спинного мозга35 обломки миелина могут модулировать активацию макрофагов, способствуя хроническому воспалению и вторичному повреждению36. Поэтому визуализация in vivo миелиновой оболочки вместе с нейронами и глиальными клетками в живых мышиных моделях очень помогает понять динамические процессы при нарушениях ЦНС.
В этом протоколе описываются фундаментальные процедуры настройки домашнего микроскопа TPEF-SRS и представлены методы двойной модальной визуализации in vivo для спинного мозга мыши.
В этом протоколе подробно описана базовая настройка микроскопа TPEF-SRS. Для визуализации SRS пучки насоса и Стокса временно и пространственно перекрываются внутри OPO. Однако это перекрытие может быть нарушено после прохождения через систему микроскопа. Поэтому как пространственная, так и…
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана Советом по исследовательским грантам Гонконга посредством грантов 16103215, 16148816, 16102518, 16102920, T13-607/12R, T13-706/11-1, T13-605/18W, C6002-17GF, C6001-19E, N_HKUST603/19, Комиссии по инновациям и технологиям (ITCPD/17-9), Схемы области передового опыта Комитета по университетским грантам (AoE/M-604/16, AOE/M-09/12) и Гонконгского университета науки и технологии (HKUST) через грант RPC10EG33.
#2 Forceps | Dumont | 11223-20 | For laminectomy |
10X objective | Nikon | CFI Plan Apo Lambda 10X | |
25X objective | Olympus | XLPLN25XSVMP2 | |
Burn cream | Betadine | ||
Camera | Sony | α6300 | |
Current amplifier | Stanford research | SR570 | |
Current photomultiplier modules | Hamamatsu | H11461-01 | |
D2 665 nm long-pass dichroic mirror | Semrock | FF665-Di02-25×36 | For directing epi-fluorescence signal to the detection module |
D3 700 nm short-pass dichroic mirror | Edmund | 69-206 | For separating SRS from TPEF detection path |
Depilating cream | Veet | ||
FS1 975 nm short-pass filter | Edmund | 86-108 | For blocking stokes beam |
FS1 Bandpass filter | Semrock | FF01-850/310 | For blocking stokes beam |
Fs2 Bandpass filter | Semrock | FF01-525/50 | For selecting YFP signal |
Fs2 Shortpass filter | Semrock | FF01-715/SP-25 | For blocking fs excitation laser beam |
Half-wave plate | Thorlabs | SAHWP05M-1700 | |
High-speed photodetector | MenloSystems | FPD 310-F | For checking Stokes beam modulation |
Iodine | Betadine | ||
IR Scope | FJW | FIND-R-SCOPE Infrared Viewer 2X Kit Model 84499C2X | |
Iris | Thorlabs | CPA1 | |
L1 | Thorlabs | AC254-060-B-ML | |
L10 | Thorlabs | LA4052-A | |
L2 | Thorlabs | LA1422-B | |
L3 | Thorlabs | AC254-050-B | |
L4 | Thorlabs | AC254-060-B-ML | |
L7 | f=100 mm, AB coating | ||
L8 | Thorlabs | LA4874-A | |
L9 | Thorlabs | AC254-035-B-ML | |
Lock-in amplifier | APE | ||
Mirror | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
Motorized flipper | Thorlabs | MFF101/M | |
multifunctional acquisition card | National Instrument | PCIe-6363 | |
Oscilloscope | Tektronix | TDS2012C | |
Photodiode | APE | For detecting SRS signal | |
Picosecond laser source | APE | picoEmerald | |
Polarizing beam splitter | Thorlabs | CCM1-PBS252/M | |
Power meter | Newport | 843-R | |
Saline | Braun | ||
Scan lens L5 | Thorlabs | SL50-CLS2 | |
Scanning mirror | Cambridge Technology | 6215H | |
Silicone gel | World Precision Inc. | KWIK-SIL | |
Ti:sapphire fs laser | Coherent | Chameleon Ultra II | |
Tube lens L6 | Thorlabs | TTL200-S8 |