우리는 세 개의 시험 샘플의 제조 방법들이 최적화 STORM 현미경의 성능을 평가하는 데 사용될 수를 기술한다. 이 예제를 사용하여 우리는 원시 데이터를 수집 한 후 약 30 ~ 50 nm의 해상도의 세포에서 최고 해상도의 이미지를 얻기를 처리하는 방법을 보여줍니다.
STORM 표준 형광 현미경 기술보다 최대 10 배 더 좋은 해상도로 최근에 개발 된 초 고해상도 현미경 기술이다. 이미지가 이미지 분자에 의해 분자를 구축하여, 평소보다 매우 다른 방식으로 획득 그러나, 자신의 이미지 수집을 최적화하기 위해 노력하고있는 사용자에 대한 몇 가지 중요한 문제가 있습니다. 이 과정을 돕고 STORM 우리가 3 시료의 준비와 30 ~ 50 나노 미터 사이의 일반적인 해상도가 최고 해상도의 이미지를 수집하고 처리 STORM의 방법론을 제시 작동하는 방법에 더 많은 통찰력을 얻기 위해. 개방 비바람 처리 소프트웨어를 이용하여 시험 샘플을 조합하여 이미지 품질 및 해상도에 대한 많은 정보를 얻을 수있다. 이러한 메트릭을 사용하여 그 제제, 염료의 선택, 버퍼 상태, 및 화상 획득 설정을 샘플링하기 위해, 광학 이미징에서 절차를 최적화하는 것이 가능하다. 우리이러한 이미지 수집 및 밀도 동안 시료가 이동 'mislocalization'현상이 발생하는 문제를 관련 측면 드리프트, 가난한 이미지 품질이 저하 될 몇 가지 일반적인 문제의 lso의 예를 보여줍니다.
최근 광학 현미경 기술의 범위는 일반적으로 회절 한계를 우회하고 100 ㎚ 이상 1,2 나은 해상도의 이미지를 생성 할 수있는 초 – 해상도 현미경 또는 nanoscopy,라고도 개발되었다. 2008 년 올해의 방법 자연 방법 것으로 초 고해상도 현미경의 발표 이후, 현지화 기반 현미경의 개발의 큰 거래되고있다. 예를 들어, 다색 애플리케이션 3-6, 3D 구현 7-12, 심지어 생균 애플리케이션 5,13-17있다. 이 시스템은 세포 생물학의 손에 광학 실험실 밖으로 상용화되고 있으며, 지금 그들의 방법을하고 있습니다 더욱이, 생물 의학 질문에 대한 자신의 사용 및 응용 프로그램에서 더 증가 될 가능성이있다.
이 가족의 한 지점은 이미지 분자에 의해 분자를 구축하여 작동 현지화 기반의 방법입니다. 나는단지 약간 공간적으로 분리 된 분자는 한번에 활성화되도록 이렇게 N 순서는, 샘플 내의 형광 분자의 대부분은 스위치 오프되어야한다. 이 분자는 빠른 속도에 꺼지는 인구의 상당 부분이 서브 회절 정밀도의 기본 구조를 반영하는 이미지가 될 수 있도록 많은 이미지를 촬영하고 있습니다. 방법의 수는 GSDIM 18, PALM 19 fPALM 20, STORM 21 RESOLFT 22 등의 발표되었다. 단일 분자 검출의 위치를 측정하는 알고리즘은 다음 예 rapidSTORM 24,25 QuickPALM 26, 12 palm3d 및 비바람 27, 가우시안 피트 (23)를 사용하여 20 nm의보다 좋은 정밀도로 분자의 실제 위치를 찾는 데 사용될 수있다. 셀 또는 높은 분자 밀도가 다른 생물학적 샘플을 영상화 할 때, 프레임의 수천을 취할 필요가있다이것은, 공간적으로 분리, 깜박 이미지 순서라는 분자의 상당한 부분에 신호.
확률 적 광학 재건 현미경 (STORM)과 매우 관련 dSTORM 및 GSDIM 방법은 상업적으로 이용 가능한 유기 염료 (21)와 함께 작동하도록 입증 된 현지화 기반 슈퍼 확인 방법입니다. 그들은 이후 때문에 특이 형광 현미경을 수행 할 수있는 잘 설립 immunolabeling 방식의 상대적 편익의 방법론은 특히 매력에게 서로 다른 염료의 번호 28 ~ 30에 해당하는 것으로 표시되었습니다. 따라서, 지역화 기반 수퍼 – 해상도 이미징에 사용될 가능성이있는 색소 및 항체 염색 생체 분자 접합체의 범위로 접근이 용이하다. 폭풍과 유사한 방식의 일반적인 원리는 비교적 간단하다, 한눈에 하드웨어 및 샘플 준비는 상대적으로 스트라 보인다 동안ightforward, 품질 이슈없는, 최고 해상도의 이미지를 달성하기위한 중요한 공정 단계들의 수가있다.
모든 현미경 기술과 마찬가지로 처리는 3 가지 주요 단계로 간주 할 수있다 : 첫 번째, 두 번째 샘플 준비, 화상 취득하고, 셋째, 화상 처리 및 / 또는 이미지를 분석 및 해석. 추가 해결 능력과 현지화 기반의 접근 방식을 사용하여 최고 해상도의 이미지를 생성하는 방법은 몇 가지 새로운 문제 및 고려 사항 31-33을 소개합니다. immunolabeling, 일차 및 이차 항체의 조합이 사용되는 특히 간접 면역 형광을 수행 할 때 샘플 준비를 시작으로, 그 형광 염료가 떨어져 그 분자로부터 최대 20 ㎚에있을 수 있다는 것을 주목해야한다. 미세 소관의 경우, 이것은 25 nm의 28, 30의 예상 미세 소관 직경에 비해 35 ~ 50 ㎚의 직경을 초래한다. 또한, 표시 밀도가해야 m고품질의 이미지 (14)를 생성하기 위해 나이 퀴 스트 기준을 EET. 필라멘트 구조를 따라 20 ㎚의 예상 이미지 해상도에 대한 예를 들어 적어도 매 10 나노 27 염료 분자가 있어야합니다. 에 평형 – 많은 염료는 현지화 기반의 염료의 전반적인 성능은 적어도 네 가지 중요한 기준, 이벤트를 전환 당, 즉 검출 된 광자 (밝은이 더 각 깜박임의 밝기)의 혼합이다 접근을 위해 일에 게시 된 반면 오프 듀티 사이클 (국가에 비해 떨어져있는 염료의 명암비 – 오프 더 일반적으로 더 나은), 생존 분획 (낮은 표백 속도가 더 낫다) 및 스위칭주기의 수 (형광 당 깜박의 수 – 더 형광 당 깜박임)이 분자 계산을 위해 장점이 될 수 있지만, 높은 해상도를 위해 더 낫다. 상황은 더 이상 특정 염료에 대한 이러한 속성은 다른 버퍼 조건이 다를 수 있다는 사실에 의해 복잡레이저 전원 (28, 29)와 함께. 또, 물론 이들 고유 STORM 고려로서, 화질이 정착 조건의 변형 및 급냉 시약의 사용에 의해 자기 형광을 최소화하여, 예를 들어 전통적인 형광 현미경 기술과 동일한 방식으로 샘플 준비를 최적화함으로써 개선 될 수있다. 또한, 비특이적 결합 형광체를 최소화 라벨 농도, 배양 시간 및 차단 및 세척 단계를 조정함으로써 수행 될 수있는 것이 중요하다.
화상 획득의 두 번째 단계는 매우 중요하다. 현미경의 최적 설정은 염료, 버퍼 상태, 레이블링 밀도 및 샘플 타입, 유리, 세포 또는 조직 샘플에서 예를 들어 단층에 의존 할 것이다. 주요 고려 사항은 카메라 노출 시간, 프레임 번호, 조명 각 (TIRF, HILO, 에피) 및 레이저 파워이다. 목표는 가능한 한 빨리 많은 밝은 공간적으로 분리 깜박를 수집하는 것입니다. 만약 배경 I재구성 알고리즘이 정확하게 위치를 지역화 할 수 없을 것이며, 매우 높은 발 또는 점멸은 매우 밝지 않다 즉 신호 대 잡음비가 좋지 않습니다. 뿐만 아니라 측정 할 수있는 각 분자의 위치와 정확성, 즉 지역화 정밀도를 극대화로, 이미지 품질도 현지화의 높은 수에 따라 달라집니다. 또한 분자의 수가 충분하지가 묘화되는 경우에는 나이키 스트 기준 14,27을 충족하지 않으므로, 어느 빈약 라벨링 효율 과도한 광표백 또는 불충분 프레임 번호로 다음 결과 초해 콘텐츠 점상 불연속 것 .
그리고 마지막 세 번째 단계, 화상 처리는, 표준 형광 현미경 기술과 비교하여 특히 중요하다. 그것은 w를 알고 혼란 스러울 수 있다는 점에서 선택의 측면에서 장점과 단점이 둘 다 자유롭게 상업적으로 이용 가능한 알고리즘의 범위가있다HICH는 사용하기에 가장 적합합니다. 예를 들어, 원시 데이터가 공간적으로 구별 깜박 잘 간격 경우 다음 단일 분자 피팅 알고리즘은 폭풍우 27에서 사용할 수있는 스파 스 피팅 알고리즘에 의해, 예를 들어, 매우 정확하고 효율적으로 할 수있다, rapidSTORM (24, 25)는 QuickPALM 26 소프트웨어 (12)를 palm3d 및 . 원시 데이터가 다음 더 적합 할 수 있습니다 알고리즘을 신호를 중복이 많이 포함되어있는 경우 DAOSTORM (34), (b) 35 deconSTORM 36 (가) 있습니다. 더욱이, 이러한 알고리즘은 그러한 신호 카운트 또는 깜박임 당 광자뿐만 아니라, 평활화 가우시안 함수로 시각화로서 또는 초해 픽셀 크기가 될 수있는 픽셀 그리드와 히스토그램 같은 각종 다른 이미지 디스플레이 옵션과 같은 다양한 기준에 대한 임계 값을 포함 사용자에 의해 선택된. 이러한 모든 옵션은 최종 이미지의 모양을 변경하고 이미지의 해석과 분석에 영향을 미칠 수있다.
<p class="jove_content"> 따라서 우리는 명확성을 위해 우리가 폭풍을 참조한다 염료 기반의 현지화 기반의 슈퍼 해상도 실험하고, 더 경험이있는 기회에 대한 출발점으로 새 사용자를 제공 할 것입니다 3 테스트 샘플을 제시 더 이상 자신의 실험을 최적화 할 수 있습니다. 첫째, 코팅하는 덱스 트란 염료 접합체의 형광체 층으로 유리 표면 가능하다. 이 현미경, 염료 및 버퍼 형광 신호를 점멸 생성하기 위해 노력하고 있음을 설정하는 빠르고 간단한 방법을 제공합니다. 방법은, 버퍼의 조건을 최적화 화상 획득 설정 및 다른 염료를 테스트하는 비바람에 의해 생성 된 평균 지역화 정밀도 및 개수 메트릭과 비교하여 확장 될 수있다. 둘째, 우리는 쉽게 phalloidin도 염색 복합체를 사용하여 표시 할 수 있습니다 유리에 액틴 필라멘트를 제조하는 간단한 프로토콜을 제시한다. 이 해상도 27 일반적으로 전체 폭의 절반 최대 (FWHM)의 측정을 수행하는 이상적인 구조를 제공의 필라멘트는 해상도 (37)의 경험적 추정치로 주어진다. 그것은 지역화 기반 수퍼 – 해상도 현미경 해상도 형광 광도, 배경 잡음 및 지역화 밀도 (27)의 함수이며, 이들 시험편에 걸쳐 반드시 일정하지 않기 때문에 해상도는 샘플 사이와 동일한 샘플 내의 이미지 사이에서 변화 주목해야한다. 액틴 필라멘트와 같은 mislocalizations 잠재적 이슈를 설명하고 표류하는 데 사용하고 그들이 폭풍우 내에서 소프트웨어의 기능을 식별 할 수있는 방법을합니다. 더욱이, 우리는 측정 및 올바른 드리프트 모두에 형광 기준 마커의 사용을 설명한다. 셋째, 표피 성장 인자 (EGF) – 염료 접합체와 세포의 염색을 설명한다. 세포 표면 수용체의 비율은 약 50 ~ 150 N의 서브 회절 크기의 구조이다 소체를 통해 엔도 시토 시스를 겪는다 때문에 EGF는, 초 – 해상도 이미지 성능의 유용한 지표를 제공한다직경 27,38,39에서 m.우리는 몇 가지 간단한 테스트 샘플하고 STORM 최고 해상도의 이미지를 최적화 할 수있는, 자유롭게 사용 가능한 처리 소프트웨어 비바람 보여. 이러한 도구 및 방법은 새로운 사용자와 사용자의 현미경에 대한 자신감과 전례없는 세부 사항을 생물학적, 세포 구조를 연구하기 위해 그들의 사용을 증가하는 숙련 된 사용자를위한 방법에 대한 유용한 시작점을 제공 할 것입니다. 그것은 이미지 품질을 향상시키기 위해 더 큰 신뢰를 갖는 것이 가능하다 보여주는 그러한 평균 정밀 추정 지역화 번호 및 히스토그램으로 유용한 이미지 품질 메트릭의 개수를 생산할 수 알려진 또는 널리 알려진 구조 및 알고리즘과 함께 시료의 조합을 사용하여 STORM 이미징 과정에서. 아무도 크기가 사용될 수있는 다른 상업적 자체 내장 현미경 구성 개수가로 데이터를 획득하는 모든 방법을 적합하지가있다. 또한, influ 수있는 많은 샘플 준비 및 이미지 수집 단계가 있습니다최종 이미지는 따라서 소프트웨어 툴과 테스트 샘플을 갖는 이해와 STORM 이미지 품질을 최적화하는 데 중요합니다 줬어.
또한이 프로토콜은 발생할 수있는 모든 문제를 해결하는 유용한 덜 모호한 방법을 제공 할 수 있습니다. 예를 들어 덱스 트란 시료는 레이저 빔의 오정렬 또는 샘플의 고르지 조도가 있는지 확인하기 위해 매우 유용한 방법이다. 스위칭 버퍼가 어떤 '깜박이'가 도움이 될 것입니다가 있는지 확인하기 위해 매우 간단한 시각적 테스트를 작동하지 않을 우려가있는 경우. 액틴 필라멘트 FWHM 비교를 사용하여뿐만 아니라 드리프트 mislocalization 유물을 강조 해상도를 측정하는 유용한 방법입니다. 그러나, 지역화 기반 수퍼 – 해상도 방법과 같은 노출 시간, 프레임 속도, 레이저 파워 및 화상 처리 방법과 같은 다른 요인에도 불구 민감한 형광 물질 농도가 될 수 있음을 유의해야한다, 그것은 할당 불가 의 해결특히 현미경 모든 이미지는 그 해결책이있을 것이라는 점을 가정합니다. 무엇을 할 수는 있지만, 이러한 평균 현지화 정밀도, 현지화 번호와 같은 해상도의 다양한 측면을 측정하고 27 표류하는 것입니다. 기준 마커는 그들이 할 수있는 모든 실험에 포함되지 않을 수 있더라도, 적어도, 현미경 시스템, 그 환경의 특성과 잘 같은 많은 시간 후에 시작 열 평형에 도달하는 데 필요한 방법으로서 작동 고려 사항을 이해하는데 사용될 수. 이것은 이미지 (43)를 획득되는 동안 샘플 위치를 보정하는 난시 렌즈의 사용 및 피드백 메커니즘을 필요하지만뿐만 아니라 측 방향 드리프트 보정으로서, 기준 마커는, 특성화하기 위해 사용 및 축 드리프트에 대한 정확한 수있다. 상용 최고 해상도 시스템은 일반적으로 안정성 제어 또는 초점 드리프트를 보정하기위한 실제적인 솔루션이 될 수 있습니다 초점 잠금을 메커니즘의 일종을 포함 할 것이다.
이비 구체적으로 염료 직접 또는 보조 항체와 같은 다른 공액 분자를 사용하는 등 덱스 트란과 유리 코팅에 대한 대안 재. 이러한 방법의 한계는 유리에 결합 분자의 개수를 알 수없는 점이다. 사용 된 대체 필라멘트 구조는 미세 소관 (28)와 DNA 21이 (가) 있습니다. 그러나, 매우 작은 크기와 편리한 시판 시약의 조합이 발산 또는 분지 필라멘트의 이격 거리가 또한 시스템 성능 (27)의 유용한 측정 될 수 특별히, 매력적인 대안 악틴 만든다.
테스트 샘플의 발전을위한 공간이 지역 28,29,46,47 최근 진행에도 불구하고 있습니다. 특히, 다색 화상이 촬상 모든 세 주요 측면에서 도전의 개수, 샘플 라벨링 화상 획득 (하드웨어), 소프트웨어 (영상 처리 및 정렬)을 제시한다. 가 있었다출판물 이러한 측면 4-6을 해결하고 적절한 시료 및 방법은 이미지의 이러한 유형을 생성하고 신뢰성 해석에 중요한 것을 따라서 분명하다의 수. 실제로, 최근은 dSTORM는 두 가지 컬러 이미지를 가지고 가고, 해결, 핵 기공 복합체의 높은 대칭성하는 데 사용할 수와 저자는이 색수차 보정 (45)의 성능을 평가하는 이상적인 방법이 될 것이라고 제안 것으로 나타났다. 또 다른 흥미로운 방법은 떨어져 46 특정 하위 회절 거리에 위치 형광체의 가능성을 만들어 nanoruler을 만들 수있는 DNA 종이 접기를 사용하는 것입니다. 이것은 해상도를 평가하고 거리 측정의 제조 방법을 제공한다. 그러나, 궁극적 인 목적은 복잡한 3 차원 구조이다 같은 세포 같은 비 이상화 샘플, 이러한 초 해상 기술을 적용하는 것이다. 이때, t의보다 철저한 이해를 배합그 데이터를 취득하는 적절한 방법으로 처리하고, 화상 메트릭스를 제공 한 사용자를 돕는 소프트웨어 도구와 결합 기법은 궁극적 해답이 될 가능성이있다. 28,29,47,48
The authors have nothing to disclose.
우리는 영국의 국가 측정 사무실의 화학 및 생물 계측 프로그램에서 자금을 인정합니다. 우리는 기술적 조언과 제안 세바스티안 반 데 린데, 미 크로스 Erdelyi 에릭리스 감사합니다. 우리가 도움의 의견과이 원고에 대한 논의를 위해 미 크로스 Erdelyi, 에릭리스 및 최대 Ryadnov 감사합니다.
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
Labtek Imaging chamberglass | Fisher | CBR-166-390E | Sample preparation |
Inverted Microscope | Olympus | IX71 | * See below for alternatives |
100 X TIRF Objective Lens | Olympus | UAPON 100XOTIRF | * See below for alternatives |
EMCCD Camera | Andor | iXon 897 | * See below for alternatives |
640 nm laser | Toptica | iBEAM-SMART-640-S | *150 mW – for imaging Alexa 647 or Cy5 dyes |
LabVIEW | National Instruments | *Acquisition software (controlling hardware) | |
PC | Dell | Windows XP (64 bit), Intel Xeon E5420 CPU, 16 GB RAM *Instrument control and image processing | |
ImageJ | Image analysis and processing http://rsbweb.nih.gov/ij | ||
rainSTORM | Laser Analytics Group (Cambridge) software | http://laser.cheng.cam.ac.uk/wiki/index.php/Resources | |
MATLAB | Running rainSTORM | http://www.mathworks.co.uk/products/matlab/ | |
*Example of self-built STORM/PALM microscopes | Also see reference 29 http://code.google.com/p/quickpalm/wiki/Tutorial_CustomMicroscope | ||
*Commercial STORM/PALM super-resolution microscopes | Leica SR GSD, Nikon N-STORM, Vutara SR-200, Zeiss Elyra P.1, DeltaVision OMX Blaze (Monet Localization) Alternatives to self-built microscopes | ||
Table 1. Materials & Equipment | |||
[header] | |||
PBS (10X) | Fisher | VX70013065 | 1; 2; 3; 4 |
Poly-L-Lysine | Sigma | P4707 | 1.1; 2.1 |
Dextran-Alexa fluor 647 | Invitrogen | D-22914 | 1.2 |
General actin buffer | Cytoskeleton Inc | BSA01 | 2.2 |
Preformed-actin filaments | Cytoskeleton Inc | AKF99 | 2.2 |
Phallodin-Alexa fluor 647 | Invitrogen | A22287 | 2.2 |
TetraSpeck Microspheres (0.1 micron) | Invitrogen | T-7279 | 3.1 |
HeLa cells | ATCC | CCL-2 | 4.1 |
DMEM | Fisher | VX31966021 | 4.1 |
FBS | Fisher | VX10500064 | 4.1 |
Pen/Step | Invitrogen | 15070063 | 4.1 |
Plastic dishes | Invitrogen | 734-0006 | 4.1 |
EGF – Alexa fluor 647 | Invitrogen | E35351 | 4.3 |
BSA | Sigma | A7906 | 4.3, 4.4 |
Formaldehyde – 10% solution EM grade | Polysciences | 04018-1 | 4.2 |
Catalase | Sigma | C100 | 5.1 |
Glucose oxidase | Sigma | G2133 | 5.1 |
KCl | Sigma | P9541 | 5.1 |
TCEP | Sigma | C4706 | 5.1 |
Tris | Sigma | 93352 | 5.1 |
Glucose | Sigma | C7528 | 5.2 |
MEA-HCl | Sigma | M6500 | 5.3 |
Glycerin | Sigma | G2289 | 5.1; 5.2 |
Table 2. Reagents |