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생물학

Microscopia eletrônica de varredura de blocos de bloco serial (SBF-SEM) de amostras de tecido biológico

Published: March 26, 2021
doi:
10.3791/62045
, , , , , , ,
1College of Optometry,University of Houston, 2Department of Biology,DePauw University, 3Center for Translational Research on Inflammatory Diseases (CTRID),Michael E. DeBakey Veterans Affairs Medical Center, 4Children’s Nutrition Center,Baylor College of Medicine

Summary

Este protocolo descreve um método de rotina para o uso de microscopia eletrônica de varredura em bloco serial (SBF-SEM), uma poderosa técnica de imagem 3D. A aplicação bem sucedida do SBF-SEM depende de técnicas adequadas de fixação e coloração de tecidos, bem como cuidadosa consideração das configurações de imagem. Este protocolo contém considerações práticas para a totalidade deste processo.

Abstract

A microscopia eletrônica de varredura em bloco serial (SBF-SEM) permite a coleta de centenas a milhares de imagens ultraestruturais registradas em série, oferecendo uma visão tridimensional sem precedentes da microanato tecidual. Embora a SBF-SEM tenha visto um aumento exponencial no uso nos últimos anos, aspectos técnicos como a preparação adequada do tecido e parâmetros de imagem são primordiais para o sucesso dessa modalidade de imagem. Este sistema de imagem se beneficia da natureza automatizada do dispositivo, permitindo que se deixe o microscópio desacompanhado durante o processo de imagem, com a coleta automatizada de centenas de imagens possíveis em um único dia. No entanto, sem a preparação adequada da ultraestrutura celular de preparação tecidual pode ser alterada de tal forma que conclusões incorretas ou enganosas possam ser tiradas. Além disso, as imagens são geradas pela varredura da face do bloco de uma amostra biológica incorporada à resina e isso muitas vezes apresenta desafios e considerações que devem ser abordadas. O acúmulo de elétrons dentro do bloco durante a imagem, conhecido como “carregamento de tecido”, pode levar a uma perda de contraste e uma incapacidade de apreciar a estrutura celular. Além disso, enquanto o aumento da intensidade/tensão do feixe de elétrons ou a diminuição da velocidade de varredura do feixe pode aumentar a resolução da imagem, isso também pode ter o infeliz efeito colateral de danificar o bloco de resina e distorcer imagens subsequentes na série de imagens. Aqui apresentamos um protocolo de rotina para a preparação de amostras de tecido biológico que preserva a ultraestrutura celular e diminui o carregamento de tecidos. Também fornecemos considerações de imagem para a rápida aquisição de imagens seriais de alta qualidade com danos mínimos ao bloco tecidual.

Introduction

A microscopia eletrônica de varredura facial de blocos seriais (SBF-SEM) foi descrita pela primeira vez por Leighton em 1981, onde ele criou um microscópio eletrônico de varredura aumentado com um microtome embutido que poderia cortar e imagem fina seções de tecido embutido na resina. Infelizmente, limitações técnicas restringiram seu uso a amostras condutoras, pois amostras não condutoras como tecido biológico acumularam níveis inaceitáveis de carregamento (acúmulo de elétrons dentro da amostra de tecido)1. Embora o revestimento da face do bloco entre os cortes com o carregamento de tecido reduzido de carbono evaporado, este tempo de aquisição de imagens muito maior e o armazenamento de imagens permaneceu um problema, pois a tecnologia de computador na época era insuficiente para gerenciar os grandes tamanhos de arquivos criados pelo dispositivo. Esta metodologia foi revisitada por Denk e Horstmann em 2004 usando um SBF-SEM equipado com uma câmara de pressão variável2. Isso permitiu a introdução de vapor de água na câmara de imagem que reduz o carregamento dentro da amostra, tornando viável a imagem de amostras não condutoras, embora com perda de resolução de imagem. Melhorias adicionais nos métodos de preparação e imagem de tecidos agora permitem imagens usando alto vácuo, e a imagem SBF-SEM não depende mais de vapor de água para dissipar o carregamento3,4,5,6,7,8,9. Embora a SBF-SEM tenha visto um aumento exponencial no uso nos últimos anos, aspectos técnicos como a preparação adequada do tecido e parâmetros de imagem são primordiais para o sucesso dessa modalidade de imagem.

O SBF-SEM permite a coleta automatizada de milhares de imagens de microscopia eletrônica registradas em série, com resolução planar tão pequena quanto 3-5 nm10,11. O tecido, impregnado com metais pesados e embutido em resina, é colocado dentro de um microscópio eletrônico de varredura (SEM) contendo um ultramicrotome equipado com uma faca de diamante. Uma superfície plana é cortada com a faca de diamante, a faca é retraída, e a superfície do bloco é escaneada em um padrão raster com um feixe de elétrons para criar uma imagem de ultraestrutura tecidual. O bloco é então levantado uma quantidade especificada (por exemplo, 100 nm) no eixo z, conhecido como “passo z”, e uma nova superfície é cortada antes que o processo seja repetido. Desta forma, um bloco de imagens tridimensionais (3D) é produzido à medida que o tecido é cortado. Este sistema de imagem beneficia ainda mais a natureza automatizada do dispositivo, permitindo que se deixe o microscópio desacompanhado durante o processo de imagem, com a coleta automatizada de centenas de imagens possíveis em um único dia.

Enquanto a imagem SBF-SEM usa principalmente elétrons encarnicados para formar uma imagem do rosto do bloco, elétrons secundários são gerados durante o processo de imagem12. Elétrons secundários podem se acumular, ao lado de elétrons de feixe primário e requesque-a-pena que não escapam do bloco, e produzem “carregamento de tecido”, o que pode levar a um campo eletrostático localizado na face do bloco. Esse acúmulo de elétrons pode distorcer a imagem ou fazer com que os elétrons sejam ejetados do bloco e contribuam para o sinal coletado pelo detector de backscatter, diminuindo a relação sinal-ruído13. Embora o nível de carga tecidual possa ser diminuído reduzindo a tensão ou intensidade do feixe de elétrons, ou reduzindo o tempo de moradia do feixe, isso resulta em uma diminuição da relação sinal-ruído14. Quando um feixe de elétrons de menor tensão ou intensidade é usado, ou o feixe só é permitido habitar dentro de cada espaço de pixel por um período mais curto de tempo, elétrons menos encalulados são ejetados do tecido e capturados pelo detector de elétrons resultando em um sinal mais fraco. Denk e Horstmann lidaram com esse problema introduzindo vapor de água na câmara, reduzindo assim a carga na câmara e na face do bloco ao custo da resolução de imagem. Com uma pressão de câmara de 10-100 Pa, uma porção do feixe de elétrons é espalhada contribuindo para o ruído da imagem e uma perda de resolução, porém isso também produz íons na câmara de espécimes que neutraliza a carga dentro do bloco de amostra2. Métodos mais recentes para neutralizar a carga dentro do bloco de amostra usam injeção de gás focal de nitrogênio sobre a face do bloco durante a imagem, ou introduzindo tensão negativa ao estágio SBF-SEM para diminuir a energia de embarque de feixes de sonda e aumentar o sinal coletado6,7,15. Em vez de introduzir viés de palco, pressão de câmara ou injeção de nitrogênio localizada para diminuir o acúmulo de carga na superfície do bloco, também é possível aumentar a condutividade da resina introduzindo carbono na mistura de resina permitindo configurações de imagem mais agressivas16. O protocolo geral a seguir é uma adaptação do protocolo Deerinck et al. publicado em 2010 e abrange modificações nas metodologias de preparação e imagem de tecidos que consideramos úteis para minimizar o carregamento de tecidos, mantendo a aquisição de imagens de alta resolução3,17,18,19. Embora o protocolo mencionado anteriormente tenha focado no processamento de tecidos e na impregnação de metais pesados, este protocolo fornece uma visão sobre o fluxo de trabalho de imagem, análise de dados e reconstrução inerente aos estudos da SBF-SEM. Em nosso laboratório, este protocolo tem sido aplicado com sucesso e reprodutivelmente a uma grande variedade de tecidos, incluindo córneas e estruturas de segmentos anteriores, pálpebras, glândulas lacrimais e mais duras, retina e nervo óptico, coração, pulmão e vias aéreas, rim, fígado, músculo cremaster e córtex cerebral/medula, e em uma variedade de espécies incluindo rato, rato, coelho, cobaia, peixe, monocamada e culturas celulares estratificadas, porco, primata não humano, bem como humano20,21,22,23. Embora pequenas mudanças possam valer a pena para tecidos e aplicações específicas, este protocolo geral tem se mostrado altamente reprodutível e útil no contexto de nossa instalação de imagem principal.

Protocol

Todos os animais foram manuseados de acordo com as diretrizes descritas na Declaração de Visão e Oftalmologia da Associação de Pesquisa em Visão e Oftalmologia para o Uso de Animais em Visão e Pesquisa Oftalmológica e nas diretrizes de manejo animal da Faculdade de Optometria da Universidade de Houston. Todos os procedimentos de animais foram aprovados pelas instituições em que foram tratados: procedimentos de rato, rato, coelho, cobaia e primatas não humanos foram aprovados pelo Comitê de Cuidados e Uso de A…

Representative Results

Córnea-de-ratoEste protocolo foi aplicado extensivamente à córnea do rato. Utilizando imagens SBF-SEM, uma rede de pacotes de microfibril sem elastina (EFMBs) mostrou-se presente dentro da córnea do rato adulto. Acreditava-se anteriormente que essa rede só estava presente durante o desenvolvimento pós-natal embrionário e precoce. A SBF-SEM revelou uma extensa rede EFMB em toda a córnea, com fibras individuais encontradas com 100-200 nm de diâmetro quando medidas em seção transversal. Verif…

Discussion

O objetivo deste artigo de métodos é destacar a metodologia de preparação e imagem de tecidos que permitiu ao nosso laboratório capturar de forma confiável imagens de microscopia eletrônica serial de alta resolução, e apontar passos críticos que levam a esse resultado, bem como potenciais armadilhas que podem ocorrer ao realizar imagens SBF-SEM. O sucesso com este protocolo requer fixação adequada do tecido, impregnação de metais pesados na amostra, modificações da resina de incorporação para reduzir o …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gostaríamos de agradecer ao Dr. Sam Hanlon, Evelyn Brown e Margaret Gondo por sua excelente assistência técnica. Esta pesquisa foi apoiada em parte pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH) R01 EY-018239 e P30 EY007551 (National Eye Institute), em parte pela Lion’s Foundation for Sight, e em parte pelo NIH 1R15 HD084262-01 (Instituto Nacional de Saúde Infantil & Desenvolvimento Humano).

Materials

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.
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References

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Keywords: Serial Block-Face Scanning Electron Microscopy (SBF-SEM)Heavy Metal StainingResin InfiltrationAutomated Image Capture
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Courson, J. A., Landry, P. T., Do, T., Spehlmann, E., Lafontant, P. J., Patel, N., Rumbaut, R. E., Burns, A. R. Serial Block-Face Scanning Electron Microscopy (SBF-SEM) of Biological Tissue Samples. J. Vis. Exp. (169), e62045, doi:10.3791/62045 (2021).
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