Summary

Uyarılmış Raman Saçılma Mikroskopisi Kullanılarak Caenorhabditis elegans Lipid Depolama Dinamiklerinin Etiketsiz Görüntülenmesi

Published: May 28, 2021
doi:

Summary

Uyarılmış Raman saçılma (SRS) mikroskopisi, spesifik kimyasal moieties’in seçici, etiketsiz görüntülenmesini sağlar ve lipit moleküllerini in vivo olarak görüntülemek için etkili bir şekilde sunulmuştır. Burada, SRS mikroskopi prensibine kısa bir giriş sağlıyoruz ve Caenorhabditis elegans’talipid depolama görüntülemede kullanımı için yöntemleri açıklıyoruz.

Abstract

Lipid metabolizması hücresel ve organizma sağlığı için gerekli olan temel bir fizyolojik süreçtir. Lipid metabolizmasının düzensizliği genellikle obeziteyi ve kardiyovasküler bozukluklar, tip II diyabet ve kanser de dahil olmak üzere birçok ilişkili hastalığı ortaya çıkarır. Lipid metabolik regülasyonunun mevcut anlayışını ilerletmek için, zaman ve mekanda in vivo lipid depolama seviyelerini hassas bir şekilde ölçmek için nicel yöntemler giderek daha önemli ve yararlı hale gelmiştir. Lipid depolamayı analiz etmek için geleneksel yaklaşımlar mikroskobik değerlendirme için yarı niceldir veya biyokimyasal ölçüm için mekansal-zamansal bilgiden yoksundur. Uyarılmış Raman saçılma (SRS) mikroskopisi, canlı hücrelerdeki lipitlerin hücre altı çözünürlüğe sahip hızlı ve nicel olarak algılanmasını sağlayan etiketsiz bir kimyasal görüntüleme teknolojisidir. Kontrast içsel moleküler titreşimlerden yararlanıldığı için, SRS mikroskopisi canlı hayvanlarda lipitlerin dört boyutlu izlenmesine de izin eder. Son on yılda, SRS mikroskopisi biyomedikal araştırmalarda küçük molekül görüntüleme için yaygın olarak kullanılmaktadır ve geleneksel floresan boyama ve lipit ekstraksiyon yöntemlerinin başlıca sınırlamalarının üstesinden gelmektedir. Laboratuvarda, lipid damlacıklarının farklı hücre ve dokular arasındaki dağılımını ve heterojenliğini araştırmak ve nihayetinde lipid metabolizmasını modüle eden yeni korunmuş sinyal yollarını keşfetmek için SRS mikroskopisini güçlü model organizma Caenorhabditis elegans’ın kullanabileceği genetik ve biyokimyasal araçlarla birleştirdik. Burada, SRS mikroskopunun çalışma prensiplerini ve ayrıntılı kurulumunu sunuyoruz ve lipid depolamasını vahşi tip ve insülin sinyal eksikliği olan mutant C. elegans’ınfarklı gelişimsel zaman noktalarında ölçmede kullanılması için yöntemler sunuyoruz.

Introduction

Obezite, dünyadaki nüfusun üçte birini tehdit eden küresel bir sağlık sorunu haline gelmiştir ve kötü ruh sağlığı1 ve diyabet2,kardiyovasküler hastalıklar3 ve bazı kanser türleri de dahil olmak üzere ölümcül hastalıklarla ilişkisi göz önüne alındığında ciddi bir tıbbi endişe ortaya çıkarır4. Obezitenin arkasındaki biyolojik sorunları daha iyi anlamak için lipid metabolizmasının incelenmesi esastır. Lipid depolamanın hızlı ve spesifik nicelemesi, yağ asitlerinin ve türevlerinin yanı sıra sterol içeren metabolitlerin yüksek hassasiyetle ve tercihen mekansal bilgilerle tespit edilmesini gerektirir. Lipitler, içsel floresandan yoksun oldukları ve kolayca floresan olarak etiketlenemedikleri için görüntüye zorlu hedeflerdir. Floresan etiketler genellikle lipid moleküllerinden daha büyüktür ve bu nedenle in vivo uygulamalar için kimyasal olarak invaziv ve pratik olmayabilir. Lipid moleküllerinin hidrofobik yapısını korumak için etiketsiz veya minimum etiketleme stratejisi gereklidir5. Görüntüleme teknolojilerindeki son gelişmeler, canlı hücrelerde, dokularda ve organizmalarda lipitlerin etiketsiz görüntülenmesi için heyecan verici fırsatlar yaratmıştır.

Biyolojik örneklerde lipid depolama analizleri için geleneksel yaklaşımlar biyokimyasal tahliller ve lipofilik boyalarla boyama protokollerini içerir. Kütle spektrometresi (MS) içeren biyokimyasal niceleme tahlilleri moleküler çözünebilirliklerinde eşsizdir, ancak çok büyük numune miktarları gerektirirler ve numune hazırlama genellikle birkaç saat sürer, yaşam sistemlerinin gerçek zamanlı görüntülenmesi için uygulamalarını sınırlar5. Bu tahlillerin bir diğer önemli sınırlaması da mekansal bilgi eksikliğidir. Öte yandan Oil Red O ve Sudan Black gibi lipofilik boyalar lipid depolama organellerinin doku ve hücresel dağılımını sağlar ve MS tekniklerine göre bu boyama yöntemlerinin maliyeti de düşüktür ve yapılması kolaydır. Bununla birlikte, bu boyama protokolleri, lipit damlacıklarının hidrofobik doğasını etkileyebilecek, yapılarında yapay değişiklikler oluşturabilecek ve deneyler arasında tutarsızlıklara neden olabilecek fiksasyon gerektirir6. Biyokimyasal ve boyama teknikleri ile ilişkili teknik zorluklar, lipid moleküllerini görüntülemek için etiketsiz yöntemlerin aranmasına ve lipid görüntülemede tutarlı Raman saçılma (CRS) mikroskopisinin kullanımının hızla artmasına yol açmıştır.

Raman etkisi ilk olarak Raman ve Krishnan tarafından tanındı, burada bir fotonla etkileşime girdikten sonra, bir molekülün dalga boyunda (Rayleigh saçılımı olarak adlandırılır) veya nadiren değiştirilmiş bir dalga boyuyla (Raman saçılımı olarak adlandırılır) dağınık ışık üretebileceğini ve dalga boyundaki bu değişikliğin molekül içindeki fonksiyonel kimyasal grupların karakteristiği olduğunubildirdiler 7. Bir molekülün içindeki kimyasal bağlar, pompa foton adı verilen bir olay fotonunun daha yüksek titreşimsel enerji seviyesine yükselmesiyle, Stokes foton adı verilen dağınık fotonun enerjisi daha düşük hale gelir. Aksi takdirde, kimyasal bağlar başlangıçta daha yüksek bir seviyedeyse daha düşük bir titreşimli enerji seviyesine ulaşabilir ve dağınık foton Stokes karşıtı foton olmak için enerji kazanır. Olay ile dağınık fotonlar arasındaki frekans farkı Raman kayması olarak bilinir. Bir molekül içindeki her kimyasal bağın karakteristik ve ölçülebilir bir Raman kayması vardır. Örneğin, CH2 bağı 2.845 cm-1Raman kaymasına sahiptir, yağ asidi zincirlerinde bol miktarda bulunur8. Bu spontan Raman sinyali genellikle çok zayıftır, bu da geleneksel spontan Raman mikroskopisinde görüntüleme hızını büyük ölçüde sınırlamıştır. Yıllar içinde spontan Raman mikroskopisinin görüntüleme hızını ve hassasiyetini artırmak için çeşitli yaklaşımlar geliştirilmiştir. Tutarlı Anti-Stokes Raman Saçılma (CARS) mikroskopisi ve Uyarılmış Raman Saçılma (SRS) mikroskopisi de dahil olmak üzere tutarlı Raman saçılma mikroskopisi en son ilerlemedir. CARS ve SRS biraz farklı çalışma prensiplerine sahiptir, ancak her ikisi de canlı görüntüleme yeteneğine sahip, lipid depolama dinamikleri hakkında mekansal ve zamansal bilgi verebilen ve yalnızca küçük örnek boyutu gerektiren etiketsiz tekniklerdir. CARS mikroskopisi, çeşitli doğrusal olmayan işlemlerden gelen rezonans dışı arka plandan muzdariptir ve CARS sinyalleri ayrıca molekül konsantrasyonu ile doğrusal olmayan bir ilişkiye sahiptir, bu da birlikte nicelik sürecini zorlaştırır9. CARS mikroskopisinin aksine, SRS mikroskopisi rezonans olmayan arka plan sinyalleri oluşturmaz ve ilgi molekülünün konsantrasyonuna doğrusal bağımlılık sunar. Bu nedenle, şu anda SRS mikroskopisi lipid görüntüleme için daha yaygın olarak kullanılmaktadır.

SRS mikroskopisinde, zayıf spontan Raman sinyalleri, kimyasal bağ titreşim frekansıyla eşleşen frekans farkı ile senkronize iki lazer ışını tarafından heyecanlandığında yükseltilebilir. Molekül, tutarlı heyecan nedeniyle heyecanlı bir duruma gelişmiş bir geçiş yaşayacaktır. Sonuç olarak, Stokes foton oluşturma oranı artırılıyor. Sonuç olarak, iletilen “Stokes” ışınının yoğunluğu artar (uyarılmış Raman kazancı, SRG) ve iletilen “pompa” ışınının yoğunluğu azalır (uyarılmış Raman kaybı, SRL). SRG veya SRL sinyallerinin algılanmasının temeli, spesifik kimyasal bağlara sahip moleküllerin Uyarılmış Raman Saçılma (SRS) mikroskopisi görüntülemesinin temelini oluşturur10. İki lazer ışını arasındaki frekans farkı, ilgi çekici bir molekül içindeki kimyasal bağın titreşim frekansı ile eşleşmiyorsa, ne SRG ne de SRL sinyalleri üretilir. SRS mikroskopisinin görüntüleme hızı piksel başına yaklaşık 2 μsec veya kare başına 1 saniyedir, bu da spontan Raman mikroskopisi11’dençok daha hızlıdır. SRS mikroskopisi için tipik yanal çözünürlük kırınım sınırlı ve yaklaşık 300 nm’dir. Ek olarak, SRS mikroskopisinin iki fotonlu optik süreçleri, bağıl kalın doku örneklerinin hacimsel 3D görüntülenmesine izin verir ve görüntüleme derinliği 300-500 μm’ye ulaşabilir. Genel olarak, SRS mikroskopisi, özellikle lipitler olmak üzere belirli biyomolekülleri tespit etmek için etkili, etiketsiz bir görüntüleme tekniği sunar.

Lipid damlacıkları, triacylglycerols (THG) ve kolesterol esterleri (CE’ ler) dahil olmak üzere nötr lipitler için ana hücresel depolama alanı olan tek membranlı organellerdir. Bu lipit moleküllerinin yağ asidi zincirlerindeki CH2 bağları, heyecanlandığında 2.845 cm-1’de güçlü SRS sinyalleri oluşturur8, böylece bozulmamış hücrelerde, doku bölümlerinde ve hatta tüm organizmalarda depolama lipit seviyelerinin tespit edilmesini ve nicelleştirilmesini sağlar12,13,14,15. Özellikle C. eleganlar saydamlıkları nedeniyle lipid görüntüleme çalışmaları için faydalıdır. Memeliler gibi, C. eleganlar da lipit damlacıklarında lipitleri depolarlar ve lipit moleküllerinin sentezi ve bozulma yolları yüksek oranda korunur16. Bu protokolde, SRS mikroskopisinin çalışma prensibini, temel kurulumunu sağlayacak ve C. elegans’talipit görüntülemede kullanım yöntemlerini açıklayacağız.

Protocol

1. Uyarılmış Raman Saçılma Mikroskopisi için enstrümantal kurulum NOT: SRS mikroskopi sistemi, pompa entegre optik parametrik osilatörlü bir picosecond lazer ve konfokal lazer tarama mikroskobu üzerine inşa edilmiştir. Osilatör, 1.064 nm’de bir Stokes ışını ve 700-990 nm arasında ayarlanabilir bir pompa ışını dahil olmak üzere iki picosecond darbeli tren sağlar. Lazerin içinde iki ışının zamansal ve mekansal üst üste binmesi sağlanır. Dahili elektro optik modüla…

Representative Results

İnsülin sinyali, gelişimi, üremeyi, ömrü ve metabolizmayı etkileyen önemli bir endokrin yoldur. Solucanlarda, insülin sinyali yaklaşık 40 insülin benzeri peptid ligand, insülin benzeri büyüme faktörü reseptör reseptör ortolog DAF-2, aşağı akış PI3K / AKT kinaz kaskad ve FoxO transkripsiyon faktörü ortolog, DAF-1620oluşur. insülin reseptöründen yoksun daf-2 mutantların bağırsaklarında daha fazla lipit damlacıkları vardır, solucan lipid depolama dokusu<s…

Discussion

Obezite ve buna bağlı metabolik bozukluklara karşı savunmada, lipid homeostazının düzenleyici mekanizmalarını daha iyi anlamak için önemli araştırma çalışmaları uygulanmıştır. Biyolojik örneklerde lipit moleküllerinin nicel olarak tespiti için SRS mikroskopisi ile etiketsiz görüntülemenin biyokimyasal tahlillere ve diğer boyama yöntemlerine güvenilir bir alternatif olduğu kanıtlanmıştır. Grubumuz ve diğerleri, C. elegans ve SRS mikroskopisi12 , 18 , 28 , 29</s…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma NIH hibeleri R01AG045183 (M.C.W.), R01AT009050 (M.C.W.), R01AG062257 (M.C.W. ), DP1DK113644 (M.C.W.), March of Dimes Foundation (M.C.W.), Welch Foundation (M.C.W.) ve HHMI araştırmacısı (M.C.W.). Caenorhabditis Genetics Center’a (CGC) C. elegans suşları için teşekkür ederiz.

Materials

A/D converter Olympus Analog Unit
Agarose GeneMate 3119 For making agarose pads
Alignment tool – adapter Thorlabs SM1A4 For mounting the tool on scope
Alignment tool – target Thorlabs VRC2SM1 For viewing IR laser
Alignment tool – tube Thorlabs SM1L40 Length can vary
Autocorrelator (Optional) APE pulseCheck
Bandpass filter minicircuits BBP-21.4+ if modulated at 20MHz or KR Electronics 2724 if modulated at 8 MHz For signal with modulation frequency filtering
BNC cables
Dissection microscope Nikon SMZ800 For handling and picking worms for imaging
Dodecane Sigma-Aldrich 44010 Used for calibration of the SRS signal
Filter Chroma Technology 890/220 CARS For removing Stokes beam
General purpose laboratory labeling tape VWR 89097 For making agarose pads
Glass coverslips VWR 48393-106 For covering worms for imaging
Glass microscope slide VWR 16004-422 For making agarose pads
Laser scanning microscope Olympus FV3000
Lens Thorlabs L1: AC254-050-B
L2: AC254-075-B
For beam expander
Lock-in amplifier Zurich HF2LI
Lowpass filter minicircuits BLP-1.9+ For power supply noise suppression
Mirrors Thorlabs BB1-E03 For relay and periscope
Objective Olympus UPlanSAPO 20x 0.75, UPlanSAPO 60XW 1.20
Photodiode Thorlabs FDS1010
Picosecond laser source APE picoEmerald
Power supply TEKPOWER TP1342U For photodiode, reversed 50V voltage
Sodium azide Sigma S2002 For anaesthesizing the worms
Worm picker WormStuff 59-AWP

References

  1. Luppino, F. S., et al. Overweight, obesity, and depression: a systematic review and meta-analysis of longitudinal studies. Archives of General Psychiatry. 67 (3), 220-229 (2010).
  2. Eckel, R. H., et al. Obesity and type 2 diabetes: what can be unified and what needs to be individualized. Diabetes Care. 34 (6), 1424-1430 (2011).
  3. Poirier, P., et al. Obesity and cardiovascular disease: pathophysiology, evaluation, and effect of weight loss. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 26 (5), 968-976 (2006).
  4. Bhaskaran, K., et al. Body-mass index and risk of 22 specific cancers: a population-based cohort study of 5.24 million UK adults. Lancet. 384 (9945), 755-765 (2014).
  5. Shen, Y., Hu, F., Min, W. Raman imaging of small biomolecules. Annual Review of Biophysics. 48, 347-369 (2019).
  6. Daemen, S., van Zandvoort, M., Parekh, S. H., Hesselink, M. K. C. Microscopy tools for the investigation of intracellular lipid storage and dynamics. Molecular Metabolism. 5 (3), 153-163 (2016).
  7. Syed, A., Smith, E. A. Raman imaging in cell membranes, lipid-rich organelles, and lipid bilayers. Annual Review of Analytical Chemistry. 10 (1), 271-291 (2017).
  8. Thomas, G. J. Raman spectroscopy of protein and nucleic acid assemblies. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure. 28, 1-27 (1999).
  9. Evans, C. L., Xie, X. S. Coherent anti-stokes Raman scattering microscopy: chemical imaging for biology and medicine. Annual Review of Analytical Chemistry. 1, 883-909 (2008).
  10. Freudiger, C. W., et al. Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy. Science. 322 (5909), 1857-1861 (2008).
  11. Hu, F., Shi, L., Min, W. Biological imaging of chemical bonds by stimulated Raman scattering microscopy. Nature Methods. 16 (9), 830-842 (2019).
  12. Wang, M. C., Min, W., Freudiger, C. W., Ruvkun, G., Xie, X. S. RNAi screening for fat regulatory genes with SRS microscopy. Nature Methods. 8 (2), 135-138 (2011).
  13. Wei, L., Yu, Y., Shen, Y., Wang, M. C., Min, W. Vibrational imaging of newly synthesized proteins in live cells by stimulated Raman scattering microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (28), 11226-11231 (2013).
  14. Wei, L., et al. Live-cell imaging of alkyne-tagged small biomolecules by stimulated Raman scattering. Nature Methods. 11 (4), 410-412 (2014).
  15. Ramachandran, P. V., Mutlu, A. S., Wang, M. C. Label-free biomedical imaging of lipids by stimulated Raman scattering microscopy. Current Protocols in Molecular Biology. 109, 31 (2015).
  16. Srinivasan, S. Regulation of body fat in Caenorhabditis elegans. Annual Review of Physiology. 77, 161-178 (2015).
  17. Vrablik, T. L., Petyuk, V. A., Larson, E. M., Smith, R. D., Watts, J. L. Lipidomic and proteomic analysis of Caenorhabditis elegans lipid droplets and identification of ACS-4 as a lipid droplet-associated protein. Biochimca Et Biophysica Acta. 1851 (10), 1337-1345 (2015).
  18. Yu, Y., Mutlu, A. S., Liu, H., Wang, M. C. High-throughput screens using photo-highlighting discover BMP signaling in mitochondrial lipid oxidation. Nature Communications. 8 (1), 865 (2017).
  19. Kelley, L. C., et al. Live-cell confocal microscopy and quantitative 4D image analysis of anchor-cell invasion through the basement membrane in Caenorhabditis elegans. Nature Protocols. 12 (10), 2081-2096 (2017).
  20. Murphy, C. T., Hu, P. J. Insulin/insulin-like growth factor signaling in C. elegans. WormBook. , 1-43 (2013).
  21. Shi, X., et al. Regulation of lipid droplet size and phospholipid composition by stearoyl-CoA desaturase. Journal of Lipid Research. 54 (9), 2504-2514 (2013).
  22. Watts, J. L., Ristow, M. Lipid and carbohydrate metabolism in Caenorhabditis elegans. Genetics. 207 (2), 413-446 (2017).
  23. Kimura, K. D., Tissenbaum, H. A., Liu, Y., Ruvkun, G. daf-2, an insulin receptor-like gene that regulates longevity and diapause in Caenorhabditis elegans. Science. 277 (5328), 942-946 (1997).
  24. Kwon, E. S., Narasimhan, S. D., Yen, K., Tissenbaum, H. A. A new DAF-16 isoform regulates longevity. Nature. 466 (7305), 498-502 (2010).
  25. Chen, A. T., et al. Longevity genes revealed by integrative analysis of isoform-specific daf-16/FoxO mutants of Caenorhabditis elegans. Genetics. 201 (2), 613-629 (2015).
  26. Lee, R. Y., Hench, J., Ruvkun, G. Regulation of C. elegans DAF-16 and its human ortholog FKHRL1 by the daf-2 insulin-like signaling pathway. Current Biology. 11 (24), 1950-1957 (2001).
  27. Mutlu, A. S., Gao, S. M., Zhang, H., Wang, M. C. Olfactory specificity regulates lipid metabolism through neuroendocrine signaling in Caenorhabditis elegans. Nature Communications. 11 (1), 1450 (2020).
  28. Chen, A. J., et al. Fingerprint Stimulated Raman Scattering imaging reveals retinoid coupling lipid metabolism and survival. Chemphyschem: a European Journal of Chemical Physics and Physical Chemistry. 19 (19), 2500-2506 (2018).
  29. Li, X., et al. Quantitative imaging of lipid synthesis and lipolysis dynamics in Caenorhabditis elegans by Stimulated Raman Scattering microscopy. Analytical Chemistry. 91 (3), 2279-2287 (2019).
  30. Lin, C. J., Wang, M. C. Microbial metabolites regulate host lipid metabolism through NR5A-Hedgehog signalling. Nature Cell Biology. 19 (5), 550-557 (2017).
  31. Fu, D., et al. In vivo metabolic fingerprinting of neutral lipids with hyperspectral stimulated Raman scattering microscopy. Journal of the American Chemical Society. 136 (24), 8820-8828 (2014).
  32. Perez, C. L., Van Gilst, M. R. A 13C isotope labeling strategy reveals the influence of insulin signaling on lipogenesis in C. elegans. Cell Metabolism. 8 (3), 266-274 (2008).
  33. Elle, I. C., Rodkaer, S. V., Fredens, J., Faergeman, N. J. A method for measuring fatty acid oxidation in C. elegans. Worm. 1 (1), 26-30 (2012).
  34. Ezcurra, M., et al. elegans eats its own intestine to make yolk leading to multiple senescent pathologies. Current Biology. 28 (16), 2544-2556 (2018).
  35. Lu, F. K., et al. Label-free DNA imaging in vivo with stimulated Raman scattering microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (37), 11624-11629 (2015).
  36. Long, R., et al. Two-color vibrational imaging of glucose metabolism using stimulated Raman scattering. Chemical Communications. 54 (2), 152-155 (2018).
  37. Zhao, Z., Shen, Y., Hu, F., Min, W. Applications of vibrational tags in biological imaging by Raman microscopy. Analyst. 142 (21), 4018-4029 (2017).
  38. Liao, C. S., et al. In vivo and in situ spectroscopic imaging by a handheld Stimulated Raman Scattering Microscope. ACS Photonics. 5 (3), 947-954 (2018).
  39. Lee, H. J., et al. Assessing cholesterol storage in live cells and C. elegans by stimulated Raman scattering imaging of phenyl-Diyne cholesterol. Scientific Reports. 5, 7930 (2015).
  40. Wang, P., et al. Imaging lipid metabolism in live Caenorhabditis elegans using fingerprint vibrations. Angewandte Chemie (International Edition in English). 53 (44), 11787-11792 (2014).
  41. Chen, W. W., et al. Spectroscopic coherent Raman imaging of Caenorhabditis elegans reveals lipid particle diversity. Nature Chemical Biology. 16 (10), 1087-1095 (2020).
  42. Freudiger, C. W., et al. Stimulated Raman Scattering microscopy with a robust fibre laser source. Nature Photonics. 8 (2), 153-159 (2014).
  43. Brinkmann, M., et al. Portable all-fiber dual-output widely tunable light source for coherent Raman imaging. Biomedical Optics Express. 10 (9), 4437-4449 (2019).
check_url/61870?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Mutlu, A. S., Chen, T., Deng, D., Wang, M. C. Label-Free Imaging of Lipid Storage Dynamics in Caenorhabditis elegans using Stimulated Raman Scattering Microscopy. J. Vis. Exp. (171), e61870, doi:10.3791/61870 (2021).

View Video