走査型透過電子トモグラフィーにより太い生物学的サンプルの調製と観察
Summary
This report describes a sample preparation protocol and specific imaging conditions for performing scanning transmission electron tomography of thick biological specimens.
Abstract
This report describes a protocol for preparing thick biological specimens for further observation using a scanning transmission electron microscope. It also describes an imaging method for studying the 3D structure of thick biological specimens by scanning transmission electron tomography. The sample preparation protocol is based on conventional methods in which the sample is fixed using chemical agents, treated with a heavy atom salt contrasting agent, dehydrated in a series of ethanol baths, and embedded in resin. The specific imaging conditions for observing thick samples by scanning transmission electron microscopy are then described. Sections of the sample are observed using a through-focus method involving the collection of several images at various focal planes. This enables the recovery of in-focus information at various heights throughout the sample. This particular collection pattern is performed at each tilt angle during tomography data collection. A single image is then generated, merging the in-focus information from all the different focal planes. A classic tilt-series dataset is then generated. The advantage of the method is that the tilt-series alignment and reconstruction can be performed using standard tools. The collection of through-focal images allows the reconstruction of a 3D volume that contains all of the structural details of the sample in focus.
Introduction
1970年代初頭以来、断層撮影法は、広く、生物学的標本1、2、3の構造の特徴付けのために使用されてきた透過型電子顕微鏡（TEM）に近づきます。透過型電子断層撮影法の魅力は、細胞の構造および細胞小器官の超微細構造の巨大分子複合体およびタンパク質の構造に、ナノメートルスケールでの生物学的構造の広い範囲を研究するために使用することができるということでした。それにもかかわらず、透過型電子断層撮影法は、非常に厚い試料（0.5μm以下）を研究するために使用することができませんでした。実際、厚い標本は、低い信号対雑音比（SNR）の画像を生成し、あまりにも多くの散乱電子を生成します。さらに、断層撮影法は、試料の見かけの厚さが、傾斜角の増加と共に、傾斜片の画像のコレクションを含みます。非弾性散乱をフィルタリングすることができるにもかかわらずエネルギーフィルタを用いて、高SNR画像のために必要な電子の臨界量はほとんどTEMに達しました。したがって、厚い生体試料は、わずか4を区画用いて研究されてきました。
それらが切断されたときにいくつかが低下する可能性があり、他はその複雑さを理解するために、その全体で検討する必要がありますいくつかのサンプルをスライスすることはできません。別のアプローチは、走査モード5、6、7、8のTEMを使用することです。透過電子顕微鏡（STEM）の走査において、電子の光路は、従来のTEMと異なります。弾性散乱ものは暗視野（DF）検出器を光軸からある角度で収集することができ、一方、散乱せずに試料を通過する電子は、明視野（BF）検出器9との光軸上に集めることができます。STEMの他の利点は、集束電子ビームは、画像のピクセルごとの収集を可能にする、試料の表面で走査されることです。サンプル10を通過しながら電子ビームを広げても、この特定の収集方式は、従来のTEMより非弾性散乱電子の影響を受けにくいです。また、これにより、TEMで発生する可能性が色収差を回避STEMにはレンズ後の試料は、ありません。 BF検出器は、主に非散乱電子を検出するようにカメラの長さを調整することができます。厚い試料を研究するためにDF検出器を使用することであるため、不正確な画像を生成する多重散乱、お勧めできません。代わりに、BF検出器11を使用することができます。 STEMは、高SNR画像を生成することができるが、それは厚いから回収することができる詳細な情報の量を減少させる、ためTEMに比べて比較的高いビーム収束比較的低い被写界深度を有します標本。フォーカスされている情報は、わずか数ナノメートルの焦点面に由来するように、輻輳角は30ミリラジアンと高くすることができ、収差補正STEM顕微鏡の場合には、被写界深度が十分に低くすることができ。パラレルモードでは、電子ビームを設定する分解能12の犠牲に被写界深度電子ビームを高めます。しかし、この設定は常に可能ではありません。
それは収束電子ビームを使用する必要があるたびに厚い試料を研究するとき、人は被写界深度電子ビームを高める技術を使用しなければなりません。最近の研究では、合焦情報13、14の最大量を回収するために、試料の様々な焦点面における複数の画像の取得を報告しています。二つの研究は、異なる焦点面からの情報を処理するためのさまざまな方法について説明します。ホーブデンら。様々な焦点面で収集した画像は、フーリエ空間で組み合わせ、最終再構成13を変換次元逆フーリエ変換から直接得ました。対照的に、ダーメンら。実空間内の様々な焦点面14から3Dボリュームを再構成する収束ビーム再構成エンジンを開発しました。私たちの研究室でも厚い生物学的標本を画像化するための方法を開発しました。当社の戦略は、我々は、様々な焦点面にフォーカスされている情報をマージして平行ビームプロジェクター15を用いて、実空間での最終3Dボリュームを再構築し、その中に上記の二つの方法は異なっていました。私たちの目的は、簡単に任意の電子顕微鏡研究室で行うことができる方法を開発することでした。この目的のために、我々は、従来の断層撮影実験の時間枠に相当する時間の限られた量で焦点画像を収集することを目的としました。また、提案手法のC整列および再構築ソフトウェアの異なるタイプで使用するために適合されウルド。
2015年15から私たちの出版物の文脈において、我々は、被写界深度の回復を可視化し、特徴づけるために望んでいたので、私たちは25 mradでの大規模な収束半角を使用しました。ここでは、2015年15で私たちの研究室で開発された方法に従って、STEMにスルー焦点イメージングを実行するためのステップバイステップのプロトコルを提示し、我々は2015年からのデータが処理された方法を提示します。この方法は、厚さ（750 nm）の生物学的サンプル中の複数の焦点面からの合焦情報を回復し、高品質の3D再構成を可能にします。該当する場合、他のグループによって使用される方法に対するこの方法論の違いも提示されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
この記事では、スルー焦点断層撮影STEMを使用して厚い生物学的サンプルに3D解析を実行するためのステップバイステップのガイドと一緒に、従来の試料調製プロトコルを提示します。生体試料の樹脂埋め込みが何十年26のために使用されており、試料の異なる種類に適合される代替のプロトコルは文献27を通して見ることができます。対照的に、スルーフォ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded by two ANR grants (ANR-11-BSV8-016 and ANR-10-IDEX-0001-02). We also acknowledge the PICT-IBiSA for providing access to chemical imaging equipment.
Materials
| Phosphate Buffered Saline | Sigma-Aldrich | P4417 | |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 2860 | |
| Epoxy resin | EMS | 14120 | |
| Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148 | Add paraformaldehyde powder to PBS heated at approximately 60 °C. Increase pH by adding 1 N NaOH until no PFA powder is visible. |
| Glutaraldehyde | Sigma-Aldrich | G5882 | |
| Osmium Tetroxyde | EMS | 19150 | |
| Uranyl Acetate | Sigma-Aldrich | 73943 | |
| Gelatin Capsule | EMS | 70110 | |
| Triming and Histo knives | LFG Distribution | Diatome diamond knives | |
| Electron Microscopy copper grid | LFG Distribution | G200-Cu | |
| Grid Coating Pen | LFG Distribution | 70624 | |
| Specimen Holder | JEOL | EM-21311 HTR | |
| Electron Microscope | JEOL | JEM-2200FS |
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