Here we illustrate the protocol for imaging by two-color STED nanoscopy the cytotoxic immune synapse of NK cells recapitulated on glass. Using this method we obtain sub-100 nm resolution of synapse proteins and the cytoskeleton.
Doğal katil hücreler veya viral yönden enfekte tümörijenik hücrelerin lize etmek için sıkı bir şekilde düzenlenmiştir, ince ayarlı bir immünolojik sinaps (IS) oluşturur. Dinamik aktin tadilatı NK hücrelerin fonksiyonu ve IS oluşumu için çok önemlidir. Sinaps F-aktin Görüntüleme geleneksel ancak ışık kırılma sınır yaklaşık 200 nm, konfokal de dahil olmak üzere, flüoresan mikroskopi çözünürlüğünü sınırlandırır, konfokal mikroskopi kullanmıştır. Görüntüleme teknolojisindeki son gelişmeler subdiffraction sınırlı süper çözünürlük görüntüleme gelişmesini sağlamıştır. IS F-aktin mimarisi görselleştirmek için cam üzerinde reseptörü aktive NK hücreleri kalarak NK hücre sitotoksik sinaps özetlemek. Biz daha sonra iki-renkli uyarılmış emisyon tükenmesi mikroskobu (STED'in) kullanarak ilgi görüntü proteinleri. Bu, sinaps <80 nm çözünürlükte sonuçlanır. Bu yazıda numune hazırlama ve çift col kullanarak görüntüleri edinimi adımları açıklarveya NK F-aktin görselleştirmek STED'in nanoscopy IS. Biz de Leica SP8 yazılım ve zaman-kapılı STED'in kullanarak örnek edinme optimizasyonu göstermektedir. Son olarak, görüntülerin post-processing deconvolution için Huygens yazılımı kullanmak.
Immünolojik sinaps proteinleri ve hücre iskeleti elemanları sinyalizasyon karmaşık bir ortam olduğunu. Sitolitik sinaps aslında merkezi bir salgı etki 1-4 çevreleyen aktin ve yapışma moleküllerinin bir halka ile yapı gibi bir "boğa gözü" sahip olarak nitelendirildi. Ancak, şimdi bu fonksiyonu 5-11 sürekli dinamik sitoskeletal örgütlenmesini gerektirir aktif sinyalizasyon mikroskobik etki oluştuğunu biliyoruz. Sinaps hakkında şu anda sahip bilgilerin çoğu mikroskop elde edilmiştir, ve immunolojistlerden üstün görüntüleme teknolojisi erken benimseyenler olmuştur.
Böyle bir yeni teknoloji süper-çözünürlük mikroskopisidir. Geleneksel uzamsal ışık mikroskobu, yaklaşık 200 nm 'de dahil olmak üzere tüm konfokal floresan mikroskobu için çözünürlük alt sınırı, setleri ışık kırılma bariyer ile sınırlıdır. Son yıllarda, çeşitli teknikler geliştirmek olmuşturçözünürlüğü kırınım bariyerin altında izin d. Bu uyarım emisyon tükenmesi mikroskobu (STED'in), yapılandırılmış aydınlatma mikroskobu (SIM), davranışsal çözüldü mikroskobu (FIRTINA) ve fotoaktıfleştırılebılır ışık mikroskobu (PALM) içerir. Bu teknikler yerlerinde detaylı olarak 12-15 gözden geçirilmiş, ancak aşağıda özetlenmiştir. Subdiffraction sınırlı çözünürlük her sistemde benzersiz şekilde oluşturulur. Süper çözünürlük tekniğinin seçimi, bu nedenle, ilgi konusu deney ve deneysel sistem tarafından dikte edilmelidir.
STED süper çözünürlük subdiffraction sınırlı floresan mikroskobu 16-18 sonuçlanan uyarma sonrasında her bir ilgi florofor çevresinde seçici "sessizliği" floresan yüksek yoğunluklu torroidal tükenmesi ışını kullanılarak elde edilir. STED'in bir avantajı görüntü elde etme, hızlı ve nispeten küçük bir post-processing gerektirir. Boya seçimi spec tarafından belirlenir daTicari olarak temin edilebilen sistemde 592 nm 'de yer almaktadır tükenmesi huzmesinin tral konumu, bir çok piyasada mevcut boyalar, iki florofor kombinasyonlar mümkün kılan mevcuttur. Buna ek olarak, GFP gibi yaygın olarak kullanılan floresan haberci 19,20 canlı hücre deneyleri mümkün hale görüntülenebilir.
Daha önce degranülasyon 21,22 için NK hücreleri tarafından kullanılmaktadır F-aktin hipodansitedir bölgelerini belirlemek ve ölçmek için STED'i kullandık. Biz STED'in nedeniyle floroforlar ve xy ekseninde çözünürlükte üstün iyileşme nispeten esnek durumuna bağışıklık sinaps görüntüleme için iyi bir seçim olduğunu düşünmekteyiz. Buna ek olarak, bu deney için kullanılan, ticari olarak temin STED'in sisteminde, yüksek hızlı (12,000 Hz) rezonans tarayıcının kullanılması örnekler en az hasar ile, görüntülerin elde edilmesi için hızlı sağlar. Boya seçimi sınırlı esneklik, STED'in 12 bir dezavantaj olarak kabul edilirAncak çift renkli STED'in piyasada bulunan çeşitli floroforlar nispeten basittir. STED iki kanal ile sınırlı iken, ek yapılar, yaklaşık 200 nm (E. Mace, yayınlanmamış gözlemler çözünürlükte konfokal görüntülü böylece bir lazer konfokal tarama mikroskobu ile STED'in entegrasyonu da STED'in ile kombinasyon halinde ilave confocal görüntüleme sağlar: .) Biz bağışıklık hücrelerini görüntülenmesi için STED'in kullanımını tarif ederken, bu teknoloji, sinir hücreleri dahil olmak üzere hücre tipleri, çeşitli hücre ve yapıların çeşitli 23-26 görselleştirme için uygulanır.
SIM subdiffraction sınırlı görüntüler oluşturmak için farklı bir yaklaşım kullanır. Bilinen periyodik uyarım desen ile görselleştirme, bilgi daha sonra, aşağıdaki matematiksel dönüşüm 27 çalışılmaktadır bilinmeyen yapısı elde edilebilir. Bu ~ 100 nm yanal 28,29 çözünürlüğe bir artış verir. SIM avantajı, bu is tüm standart konfokal boyalar ve probları ile uyumlu, ancak dezavantajı görüntüleri elde etmek için çok daha yavaş olduğunu ve bu uzun post-processing 12 ihtiyaç olmasıdır. Bu, aynı zamanda canlı hücre görüntüleme için kullanılmasını sınırlamaktadır.
Son olarak, süper çözünürlüklü görüntüler Flüoroforlann stokastik foto-anahtarlama tarafından oluşturulmuş olabilir. Bu yaklaşım, fotoğraf aktive yerelleştirme mikroskobu (PALM) ve stokastik optik rekonstrüksiyon mikroskobu (FIRTINA) istismar edilmektedir. Birden fazla kamera kare tarama ve zamanla ve "kapalı", "açık" rastgele aktif molekülleri lokalize ederek, 20-30 nm çözünürlükte görüntüler birikmiş çerçeveleri 30-32 üretilir. Bu çözünürlük için trade-off görüntüleri elde etmek için gerekli zamanı.
Burada ayrıntılı olarak göstermek, hazırlama ve STED'in çift renk örnekleri görüntüleme için protokol. Bu sistemde, atımlı bir uyarım, ayarlanabilir, beyaz ışık lazer ile. Doğası gereğidarbeli uyarma demetinin, algılama süresi yolluk mümkün kılan ve daha fazla artış çözünürlük edilir. Buna ek olarak, sistem, bu şekilde daha düşük bir lazer güç gereksinimleri için izin gadolinyum hibrid geleneksel foto-çoğaltıcı tüpler daha duyarlıdır (hyd) dedektörleri ile donatılmıştır. STED'in için tükenmesi ışın sürekli olarak tatbik edilir ve iki renk STED'in için mevcut boyaların seçimi dikte edecek 592 nm, ayarlanmıştır. Yaygın olarak kullanılan boya kombinasyonları genellikle (örneğin Alexa Fluor 488, Oregon Yeşil, yeşil DyLights veya Chromeo 488 gibi) 488 nm ile heyecanlı bir ve (örneğin Pasifik Turuncu veya Horizon V500 gibi) 458 nm ile heyecanlanan birini içerir. İki boyaların algılama benzer bir aralık içinde olacaktır (ve her ikisi de tükenme lazer tarafından erişilebilir) iken Böylece, farklı dalga boylarında uyarım ile ortaya çıkar. Bir ayarlanabilir beyaz ışık lazer ve ayarlanabilir dedektörleri ile, spektral örtüşme yok ederken sinyali maksimize oldukça kolay yapılır. Gibi, biz combinat ile iyi bir başarı olduBu tür Pacific Orange (burada kullanılan) Alexa Fluor 488 olarak ticari olarak temin edilebilen boya iyonları. Bizim protokol yönelik hazırlanmıştır ve bu bizim laboratuvar tarihsel odak temsil eder gibi insan NK hücrelerinin değerlendirilmesini açıklar. Biz düzenli olarak deneysel çalışmalar 21,33 olarak uygulamış biri olarak biz özellikle bu örnekte NK92 hücre hattını kullanıyor.
The improvement in resolution over confocal will be somewhat dependent upon factors which cannot be controlled. These factors include minor aberrations in cover slip thickness and inconsistencies in mounting media. It is important to keep the temperature and humidity in the imaging room as consistent as possible, and the STED beam should be realigned approximately every 60 min. As mentioned in Procedures, use of VECTASHIELD mounting medium must be avoided, as this is not compatible with STED. In addition to which, one should always use #1.5 cover slips, and if available, use those which have been verified to a specific thickness.
One modification of the approach described here is to image additional channels in confocal, using fluorophores that emit at a longer wavelength than the STED beam. In this way, one can image up to four channels (two in confocal, two in STED). If taking this approach, however, the channels with fluorophores emitting above the STED depletion laser will need to be imaged first, as application of the STED beam will deplete photons in these channels. One advantage to this technique is the application of time gating, which will also improve resolution in confocal by eliminating emission from photons with short lifetimes34. In particular, the use of time gating, the timing of emission detectors to correspond with pulsed excitation STED, will decrease background fluorescence from reflection off coverslip glass when imaging close to it. Even in an experiment not suitable for STED, if using a pulsed excitation source, time gating can be a useful tool for improving resolution in confocal.
There are various modifications that can be utilized to improve resolution in STED. One is to decrease the size of the pinhole from the standard 1 Airy unit, although this will also decrease the amount of light reaching the sample. This can be compensated for by increasing laser power or gain. Another is to increase line average, which will increase the amount of information gathered for each photon, improving resolution. Again, however, this may be at the cost of photobleaching of the sample, so a balance will need to be struck between resolution and bleaching. Similarly, use of fluorescent proteins such as GFP will require careful optimization to avoid bleaching. This may be accomplished by decreasing STED laser power if necessary. Longer time points will also allow for greater photon recovery and reduce bleaching. Correction for photobleaching should be accounted for when analyzing live STED.
Of course, imaging in 3 dimensions in STED is also possible, and will also give an improvement over conventional confocal imaging. This is particularly true if it is done in combination with deconvolution, although care should be taken to correct for drift that occurs during imaging multiple planes in the z-axis. If using Huygens software to deconvolve, this correction is obtained using the “stabilize image” feature. Using this approach, resolution in the z-axis will be improved. This is a great improvement over conventional confocal imaging, which has poor axial resolution, and even over just STED itself, which also has relatively poor z-axis resolution. While acquiring multiple stacks in STED, care must be taken to avoid bleaching of the sample, and if necessary one can reduce line averaging or laser power intensity in order to do so. Again, it should be noted that if imaging other fluorophores that are not suitable for STED, application of the depletion beam in the first sequential scan would prevent emission from these channels. Therefore, a mixed STED/confocal approach (when using confocal scanning in channels that emit at a wavelength greater than 592 nm) will unfortunately not be suitable for 3D.
To summarize, we have chosen STED as an approach due to its relative ease of application and improvement in resolution over standard confocal imaging. For imaging the immune synapse, it has proven an effective and valuable technique that allows us to see details in F-actin architecture not possible at resolution over 200 nm. While many of these details seem subtle, they can have a profound effect on NK cell function. Thus, we are applying the latest nanoscopic imaging technology to deriving information that is critical for maintaining human health.
The authors have nothing to disclose.
We thank Geoff Daniels for technical assistance. This work was funded by R01 AI067946 to J.S.O.
#1.5 cover slips | VWR | 48393-172 | |
BD Cytofix/Cytoperm | BD Biosciences | 554722 | |
Bovine serum albumin | Sigma | A2153 | |
Cotton tipped applicator | Fisher Scientific | S450941 | |
Falcon centrifuge tubes (50 ml) | VWR | 352070 | |
Fetal calf serum (FCS) (500 mL) | Atlantic Biologicals | S11050 | |
Goat anti-rabbit Pacific Orange | Life Technologies | P31584 | |
Laboratory tissue wipers | VWR | 82003-820 | |
Nail polish | VWR | 100491-940 | |
NK-92 cells | ATCC | CRL-2407 | |
Phalloidin Alexa Fluor 488 | Life Technologies | A12379 | |
Phosphate buffered saline | Life Technologies | 14190250 | |
Prolong anti-fade reagent | Life Technologies | P7481 | |
Purified anti-CD18 | Biolegend | 301202 | |
Purified anti-NKp30 | Biolegend | 325202 | |
Purified anti-perforin | Biolegend | 308102 | |
RPMI 1640 medium (500 mL) | Life Technologies | 11875-093 | |
Saponin from Quillaja bark | Sigma | S4521 | |
Super PAP pen | Life Technologies | 008899 | |
Triton X-100 | Electron Microscopy Sciences | 22142 | |
Material Name | Company | Catalogue Number | Comments (optional) |
Huygens deconvolution software | SVI | Contact company | |
Leica SP8 TCS STED microscope | Leica Microsystems | Contact company |