Summary

Meget multiplexeret vævsbilleddannelse med Raman-farvestoffer

Published: April 21, 2022
doi:

Summary

Elektronisk præresonansstimuleret Raman scattering (epr-SRS) billeddannelse af regnbuelignende Raman farvestoffer er en ny platform for stærkt multiplexeret epitopbaseret proteinbilleddannelse. Her præsenterer vi en praktisk vejledning, herunder antistofforberedelse, vævsprøvefarvning, SRS-mikroskopsamling og epr-SRS-vævsbilleddannelse.

Abstract

Visualisering af et stort omfang af specifikke biomarkører i væv spiller en afgørende rolle i udforskningen af de indviklede organisationer af komplekse biologiske systemer. Derfor er stærkt multiplexede billeddannelsesteknologier i stigende grad blevet værdsat. Her beskriver vi en ny platform for stærkt multiplexeret vibrationsbilleddannelse af specifikke proteiner med sammenlignelig følsomhed over for standard immunofluorescens via elektronisk præresonansstimuleret Raman scattering (epr-SRS) billeddannelse af regnbuelignende Raman farvestoffer. Denne metode omgår grænsen for spektraltopløselige kanaler i konventionel immunfluorescens og giver en one-shot optisk tilgang til at forhøre flere markører i væv med subcellulær opløsning. Det er generelt kompatibelt med standardvævspræparater, herunder paraformaldehyd-fast væv, frosne væv og formalin-fast paraffinindlejret (FFPE) humant væv. Vi forestiller os, at denne platform vil give et mere omfattende billede af proteininteraktioner mellem biologiske prøver, især for tykt intakt væv. Denne protokol giver arbejdsgangen fra antistofforberedelse til vævsprøvefarvning, til SRS-mikroskopsamling til epr-SRS-vævsbilleddannelse.

Introduction

Komplekse vævssystemer består af forskellige cellulære subpopulationer, hvis rumlige placeringer og interaktionsnetværk er dybt sammenflettet med deres funktioner og dysfunktioner 1,2. For at afsløre vævsarkitekturen og forhøre dens kompleksitet er viden om de rumlige placeringer af proteiner ved enkeltcelleopløsning afgørende. Derfor er stærkt multiplexerede proteinbilleddannelsesteknologier i stigende grad blevet værdsat og kan blive en hjørnesten for at studere vævsbiologi 3,4,5. Nuværende almindelige multiplexerede proteinbilleddannelsesmetoder kan klassificeres i to hovedkategorier. Den ene er seriel immunofluorescensbilleddannelse, der er afhængig af flere runder vævsfarvning og billeddannelse, og den anden er billeddannelse af massecytometri kombineret med tungmetalmærkede antistoffer 6,7,8,9,10,11,12.

Her introduceres en alternativ strategi for multiplexeret antistofbaseret proteinbilleddannelse. I modsætning til den fremherskende fluorescensbilleddannelsesmodalitet, som kun kan visualisere 4-5 kanaler samtidigt på grund af de brede excitations- og emissionsspektre (fuld bredde ved halv maksimum (FWHM) ~ 500 cm-1), udviser Raman-mikroskopi meget smallere spektral linjebredde (FWHM ~ 10 cm-1) og giver dermed skalerbar multiplexitet. For nylig, ved at udnytte det smalle spektrum, er der udviklet en ny ordning med Raman-mikroskopi ved navn elektronisk præresonansstimuleret Raman-spredning (epr-SRS) mikroskopi, hvilket giver en stærk strategi for multiplexeret billeddannelse13. Ved at undersøge de elektronisk koblede vibrationstilstande for Raman-farvestoffer opnår epr-SRS en drastisk forbedringseffekt på 1013 gange på Raman-tværsnit og overvinder følsomhedsflaskehalsen i konventionel Raman-mikroskopi (figur 1A) 13,14,15. Som følge heraf er detektionsgrænsen for epr-SRS blevet skubbet til sub-μM, hvilket muliggør Raman-detektion af interessante molekylære markører såsom specifikke proteiner og organeller inde i celler13,16. Ved anvendelse af Raman-farvestofkonjugerede antistoffer blev epr-SRS-billeddannelse af specifikke proteiner i celler og væv (kaldet immuno-eprSRS) især demonstreret med sammenlignelig følsomhed over for standard immunofluorescens (figur 1B) 13,17. Ved at indstille pumpens bølgelængde med kun 2 nm vil epr-SRS-signalet være helt slukket (figur 1B), som viser høj vibrationskontrast.

På sondesiden er der udviklet et sæt regnbuelignende Raman-sonder kaldet Manhattan Raman scattering (MARS) farvestoffer til antistofkonjugering 13,18,19,20. Denne unikke Raman-palet består af nye farvestoffer med π-konjugerede tredobbelte bindinger (supplerende materiale), der hver viser en enkelt og smal epr-SRS-top i det bioortogonale Raman-spektralområde (figur 1C). Ved at ændre strukturen af kernekromoforen og isotopisk redigere begge atomer af den tredobbelte binding (supplerende materiale) er der udviklet spektralt adskilte Raman-sonder. Ved at udnytte den skalerbare multiplexitet tilbyder epr-SRS-mikroskopi kombineret med MARS-farvepaletten en optisk strategi til one-shot multiplex-proteinbilleddannelse i celler og væv.

Immuno-eprSRS giver en alternativ strategi til de nuværende multiplex proteinbilleddannelsesmetoder med unikke styrker. Sammenlignet med fluorescenstilgange med cyklisk farvning, billeddannelse og signalfjernelse sikrer denne Raman-baserede platform enkeltrunde farvning og billeddannelse. Derfor omgår det den praktiske kompleksitet i cykliske procedurer og forenkler i vid udstrækning protokollen og åbner dermed nye territorier for multiplexeret proteinbilleddannelse. Ved at udnytte en Raman-farvestof-skræddersyet vævsclearingsprotokol er immuno-eprSRS f.eks. blevet udvidet til tre dimensioner til stærkt multiplexeret proteinkortlægning i tykt intakt væv17. Over 10 proteinmål blev visualiseret langs millimetertykt musehjernevæv17. For nylig er kobling af immuno-eprSRS med en optimeret biomolekyle-retentionsekspansionsmikroskopi (ExM) protokol21, one-shot nanoskala billeddannelse af flere mål også blevet demonstreret22. Sammenlignet med billeddannelse af massespektroskopi 4,9 er epr-SRS ikke-destruktiv og har iboende optisk sektionsevne. Desuden er epr-SRS mere tidseffektiv på vævsscanning. Typisk tager et vævsområde på 0,25 mm2 med en pixelstørrelse på 0,5 μm kun et par minutter at afbilde for en enkelt epr-SRS-kanal. For eksempel er den samlede billedbehandlingstid for fire SRS-kanaler plus fire fluorescenskanaler i figur 4 ca. 10 minutter.

Protocol

Protokollen blev udført i overensstemmelse med dyreforsøgsprotokollen (AC-AABD1552) godkendt af Institutional Animal Care and Use Committee ved Columbia University. 1. Fremstilling af Raman-farvestof-konjugerede antistoffer Konjugationsbufferen forberedes som ~0,1 M NaHCO3 i PBS-buffer, pH = 8,3, opbevares ved 4 °C. N-hydroxysuccinimidy (NHS) esterfunktioneret MARS-sonde (supplerende materiale) opløsning fremstilles som 3 mM …

Representative Results

Figur 3 viser eksempler på billeder af epr-SRS i forskellige prøver, herunder faste celler (figur 3A), paraformaldehyd (PFA)-fast musevæv (figur 3B) og formalinfikserede paraffinindlejrede (FFPE) humane prøver (figur 3C). Den rumlige opløsning af SRS-mikroskopi er diffraktionsbegrænset, den typiske laterale opløsning er ~ 300 nm, og den aksiale opløsning er 1-2 μm ved hjælp af nær-infrarødt …

Discussion

Her præsenterer vi immuno-eprSRS-protokollen, som er bredt anvendelig på almindelige vævstyper, herunder friskbevaret musevæv, FFPE humant væv og frosne musevæv. Immuno-eprSRS er blevet valideret for et panel af epitoper i celler og væv, som anført i tabel 1. Denne one-shot platform er især velegnet til applikationer, hvor cykliske strategier ikke fungerer godt. For eksempel kræver cyklisk fluorescens tykt væv, da flere runder af 3D-immunmærkning er upraktiske lange17….

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Ruth A. Singer og Richard K.P. Benninger for at have leveret musevæv i bugspytkirtlen. W.M. anerkender støtte fra NIH R01 (GM128214), R01 (GM132860), R01 (EB029523) og US Army (W911NF-19-1-0214).

Materials

16% Paraformaldehyde, EM Grade Electron Microscopy Sciences 15710
α-tubulin Abcam ab18251 Primary antibodies
α-tubulin BioLegend 625902 Primary antibodies
β-III-tubulin BioLegend 657402 Primary antibodies
β-III-tubulin Abcam ab41489 Primary antibodies
β-tubulin Abcam ab131205 Primary antibodies
Agarose, low gellling temperature Sigma Aldrich A9414 For brain embedding
Anti-a-tubulin antibody produced in rabbit (α-tubulin) Abcam ab52866 Primary antibodies
Anti-Calbindin antibody produced in mouse (Calbindin) Abcam ab82812 Primary antibodies
Anti-GABA B receptor R2  antibody produced in guinea pig (GABA B receptor R2) Millipore Sigma AB2255 Primary antibodies
Anti-GFAP antibody produced in goat (GFAP) Thermo Scientific PA5-18598 Primary antibodies
Anti-Glucagon  antibody produced in mouse (Glucagon) Santa Cruz Biotechnology sc-514592 Primary antibodies
Anti-insulin antibody produced in guinea pig (insulin) DAKO IR00261-2 Primary antibodies
Anti-MBP antibody produced in rat (MBP) Abcam ab7349 Primary antibodies
Anti-NeuN antibody produced in rabbit (NeuN) Thermo Scientific PA5-78639 Primary antibodies
Anti-Pancreatic polypeptide (PP) antibody produced in goat- Pancreatic polypeptide (PP) Sigma Aldrich SAB2500747 Primary antibodies
Anti-Pdx1 antibody produced in rabbit (Pdx1) Milipore 06-1379 Primary antibodies
Anti-Somatostatin antibody produced in rat (Somatostatin) Abcam ab30788 Primary antibodies
Anti-Vimentin antibody produced in chicken (Vimentin) Abcam ab24525 Primary antibodies
Band-pass filter KR Electronics KR2724 8 MHz
BNC 50 Ohm Terminator Mini Circuits STRM-50
BNC cable Thorlabs 2249-C Coaxial Cable, BNC Male / Male
Broadband dielectric mirror Thorlabs BB1-E03 750 – 1100 nm
C57BL/6J mice Jackson Laboratory 000664
Centrifuge
Condenser Olympus oil immersion, 1.4 N.A.
Cytokeratin 18 Abcam ab7797 Primary antibodies
Cytokeratin 18 Abcam ab24561 Primary antibodies
DC power supply TopWard 6302D Bias voltage is 64 V
Dichroic mount Thorlabs KM100CL Kinematic Mount for up to 1.3" (33 mm) Tall Rectangular Optics, Left Handed
Donkey anti-Chicken IgY (H+L) Jackson ImmunoResearch 703-005-155 Secondary antibodies for MARS conjugation
Donkey anti-Goat IgG (H+L) Jackson ImmunoResearch 705-005-147 Secondary antibodies for MARS conjugation
Donkey anti-Guinea Pig IgG (H+L) Jackson ImmunoResearch 706-005-148 Secondary antibodies for MARS conjugation
Donkey anti-Mouse IgG (H+L) Jackson ImmunoResearch 715-005-151 Secondary antibodies for MARS conjugation
Donkey anti-Rabbit IgG (H+L) Jackson ImmunoResearch 711-005-152 Secondary antibodies for MARS conjugation
Donkey anti-Rat IgG (H+L) Jackson ImmunoResearch 712-005-153 Secondary antibodies for MARS conjugation
Donkey anti-Sheep IgG (H+L) Jackson ImmunoResearch 713-005-147 Secondary antibodies for MARS conjugation
DPBS Fisher Scientific 14-190-250
EpCAM Abcam ab71916 Primary antibodies
Ethanol Sigma Aldrich 443611
Fast-speed look-in amplifier Zurich Instruments HF2LI DC – 50 MHz
FFPE Kidney Sample USBiomax HuFPT072
Fibrillarin Abcam ab5821 Primary antibodies
Giantin Abcam ab24586 Primary antibodies
Glucagon Santa Cruz Biotechnology sc-514592 Primary antibodies
H2B Abcam ab1790 Primary antibodies
HeLa ATCC ATCC CCL-2
High O.D. bandpass filter Chroma Technology ET890/220m Filter the Stokes beam and transmit the pump beam
Hydrophobic pen Fisher Scientific NC1384846
Insulin ThermoFisher 701265 Primary antibodies
Integrated SRS laser system Applied Physics & Electronics, Inc. picoEMERALD picoEMERALD provides an output pulse train at 1,064 nm with 6-ps pulse width and 80-MHz repetition rate, which serves as the Stokes beam. The frequency doubled beam at 532 nm is used to synchronously seed a picosecond optical parametric oscillator (OPO) to produce a mode-locked pulse train with five~6 ps pulse width (the idler beam of the OPO is blocked with an interferometric filter). The output wavelength of the OPO is tunable from 720–950 nm, which serves as the pump beam. The intensity of the 1,064-nm Stokes beam is modulated sinusoidally by a built-in EOM at 8 MHz with a modulation depth of more than 90%. The pump beam is spatially overlapped with the Stokes beam by using a dichroic mirror inside picoEMERALD. The temporal overlap between pump and Stokes pulse trains is achieved with a built-in delay stage and optimized by the SRS signal of pure D2O at the microscope.
Inverted laser-scanning microscope Olympus FV1200MPE
Kinematic mirror mount Thorlabs POLARIS-K1-2AH 2 Low-Profile Hex Adjusters
Lectin from Triticum vulgaris (wheat) Sigma Aldrich L0636-5 mg
Long-pass dichroic beam splitter Semrock Di02-R980-25×36 980 nm laser BrightLine single-edge laser-flat dichroic beamsplitter
MAP2 BioLegend 801810 Primary antibodies
Microscopy imaging software Olympus FluoView
NanoQuant Plate Tecan For absorbance-based, small volume analyses in a plate reader.
Normal donkey serum Jackson ImmunoResearch 017-000-121
NucBlue Fixed Cell ReadyProbes Reagent (DAPI) Thermo Scientific R37606
Nunc 4-Well Dishes Fisher Scientific 12-566-300
Objective lens Olympus XLPlan N x25, 1.05-NA, MP, working distance = 2 mm
Paint brush
Periscope assembly Thorlabs RS99 includes the top and bottom units, Ø1" post, and clamping fork.
pH meter
Plate reader Tecan Infinite 200 PRO An easy-to-use multimode plate reader. Absorbance measurement capabilities over a spectral range of 230–1000 nm.
ProLong Gold antifade reagent Thermo Scientific P36930
PSD95 Invitrogen 51-6900 Primary antibodies
Sephadex G-25 Medium GE Life Sciences 17-0033-01 gel filtration resin for desalting and buffer exchange
Shielded box with BNC connectors Pomona Electronics 2902 Aluminum Box With Cover, BNC Female/Female
Si photodiode Thorlabs FDS1010 350–1100 nm, 10 mm x 10 mm Active Area
Synapsin 2 ThermoFisher OSS00073G Primary antibodies
Tissue Path Superfrost Plus Gold Slides Fisher Scientific 22-035813 Adhesive slide to attract and chemically bond fresh or formalin-fixed tissue sections firmly to the slide surface (tiisue bindling glass slides)
Triton X-100 Fisher Scientific BP151-500
Vibratome Leica VT1000
Vimentin Abcam ab8069 Primary antibodies
Xylenes Sigma Aldrich 214736

References

  1. Goltsev, Y., et al. Deep profiling of mouse splenic architecture with CODEX multiplexed imaging. Cell. 174 (4), 968-981 (2018).
  2. Taube, J. M., et al. The Society for Immunotherapy of Cancer statement on best practices for multiplex immunohistochemistry (IHC) and immunofluorescence (IF) staining and validation. Journal for Immunotherapy of Cancer. 8 (1), 000155 (2020).
  3. Lewis, S. M., et al. Spatial omics and multiplexed imaging to explore cancer biology. Nature Methods. 18 (9), 997-1012 (2021).
  4. Bodenmiller, B. Multiplexed epitope-based tissue imaging for discovery and healthcare applications. Cell Systems. 2 (4), 225-238 (2016).
  5. Hickey, J. W., et al. Spatial mapping of protein composition and tissue organization: a primer for multiplexed antibody-based imaging. Nature Methods. , (2021).
  6. Lin, J. -. R., et al. Highly multiplexed immunofluorescence imaging of human tissues and tumors using t-CyCIF and conventional optical microscopes. eLife. 7, 31657 (2018).
  7. Black, S., et al. CODEX multiplexed tissue imaging with DNA-conjugated antibodies. Nature Protocols. 16 (8), 3802-3835 (2021).
  8. Giesen, C., et al. Highly multiplexed imaging of tumor tissues with subcellular resolution by mass cytometry. Nature Methods. 11 (4), 417-422 (2014).
  9. Keren, L., et al. MIBI-TOF: A multiplexed imaging platform relates cellular phenotypes and tissue structure. Science Advances. 5 (10), 5851 (2019).
  10. Gerdes, M. J., et al. Highly multiplexed single-cell analysis of formalin-fixed, paraffin-embedded cancer tissue. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (29), 11982 (2013).
  11. Angelo, M., et al. Multiplexed ion beam imaging of human breast tumors. Nature Medicine. 20 (4), 436-442 (2014).
  12. Radtke, A. J., et al. IBEX: A versatile multiplex optical imaging approach for deep phenotyping and spatial analysis of cells in complex tissues. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 117 (52), 33455 (2020).
  13. Wei, L., et al. Super-multiplex vibrational imaging. Nature. 544, 465 (2017).
  14. Wei, L., Min, W. Electronic preresonance stimulated Raman scattering microscopy. The Journal of Physical Chemistry Letters. 9 (15), 4294-4301 (2018).
  15. Shi, L., et al. Electronic resonant stimulated Raman scattering micro-spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry B. 122 (39), 9218-9224 (2018).
  16. Fujioka, H., et al. Multicolor activatable Raman probes for simultaneous detection of plural enzyme activities. Journal of the American Chemical Society. 142 (49), 20701-20707 (2020).
  17. Shi, L., et al. Highly-multiplexed volumetric mapping with Raman dye imaging and tissue clearing. Nature Biotechnology. , (2021).
  18. Miao, Y., Qian, N., Shi, L., Hu, F., Min, W. 9-Cyanopyronin probe palette for super-multiplexed vibrational imaging. Nature Communications. 12 (1), 4518 (2021).
  19. Miao, Y., Shi, L., Hu, F., Min, W. Probe design for super-multiplexed vibrational imaging. Physical Biology. 16 (4), 041003 (2019).
  20. Qian, N., Min, W. Super-multiplexed vibrational probes: Being colorful makes a difference. Current Opinion in Chemical Biology. 67, 102115 (2022).
  21. Klimas, A., et al. Nanoscale imaging of biomolecules using molecule anchorable gel-enabled nanoscale in-situ fluorescence microscopy. Nature Portfolio. , (2021).
  22. Shi, L., et al. Super-resolution vibrational imaging using expansion stimulated Raman scattering microscopy. bioRxiv. , (2021).
  23. Benninger, R. K. P., Hodson, D. J. New understanding of β-cell heterogeneity and in situ islet function. Diabetes. 67 (4), 537 (2018).
  24. Hu, F., et al. Supermultiplexed optical imaging and barcoding with engineered polyynes. Nature Methods. 15 (3), 194-200 (2018).
  25. Hu, F., Shi, L., Min, W. Biological imaging of chemical bonds by stimulated Raman scattering microscopy. Nature Methods. 16 (9), 830-842 (2019).
  26. . Coherent Raman Scattering Microscope Available from: https://www.leica-microsystems.com/products/confocal-microscopes/p/leica-tcs-sp8-cars/ (2022)
check_url/fr/63547?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Shi, L., Wei, M., Min, W. Highly-Multiplexed Tissue Imaging with Raman Dyes. J. Vis. Exp. (182), e63547, doi:10.3791/63547 (2022).

View Video