우리는 스캐닝 전자 현미경의 자동화 된 이미징 절차와 함께 배열 단층 촬영 샘플로 사용하기 위해 대형 전송 지원에 직렬 섹션의 리본과 컬렉션의 준비를 설명합니다. 이 프로토콜을 통해 로컬, 희귀 한 이벤트의 스크리닝, 검색 및 표적 이미징및 대량 데이터 볼륨을 수집 할 수 있습니다.
전자 현미경 검사는 나노미터 해상도에서 세포 및 구조 적 세부 사항의 이미징을 위한 생물학 및 의학에서 적용됩니다. 역사적으로, 전염 전자 현미경 검사법 (TEM)은 세포 초음파 구조에 대한 통찰력을 제공했지만, 최근 10 년 동안 현대 스캐닝 전자 현미경 (SEM)의 개발은 세포 내부를 찾는 방식을 변화시켰습니다. 단백질 수준의 구조적 세부 사항이 필요할 때 TEM의 해상도가 우수하더라도, SEM 해상도는 세포 수준 세포 생물학 관련 질문의 대다수에 충분합니다. 기술의 발전으로 직렬 블록 페이스 이미징(SBF-SEM) 및 포커스이있는 이온 빔 SEM(FIB-SEM)과 같은 자동 볼륨 획득 솔루션이 활성화되었습니다. 그럼에도 불구하고, 현재까지 이러한 방법은 관심 지역에 대한 식별 및 탐색이 중요할 때 비효율적이지 않습니다. 이미징 전에 대상 영역을 정확하게 현지화할 수 있는 수단이 없으면 운영자는 필요한 것보다 훨씬 더 많은 데이터를 확보해야 합니다(SBF-SEM) 또는 더 나쁜 경우 많은 그리드를 준비하고 모든 것을 이미지화해야 합니다(TEM). 관심 영역의 국소화를 용이하게 하는 SEM의 Array 단층 촬영을 사용하여 “측면 스크리닝”의 전략을 제안하고, 그 다음으로 전체 샘플 볼륨의 관련 부분의 자동화된 이미징을 제안합니다. 배열 단층 촬영 샘플은 이미징 중에 보존되며 반복 이미징을 위한 섹션 라이브러리로 배열할 수 있습니다. 측면 스크리닝을 통해 다른 방법으로 액세스하기가 매우 어려운 구조적 세부 사항을 분석할 수 있는 몇 가지 예가 표시됩니다.
EM 관련 기술의 중요성에도 불구하고 이를 마스터하는 데 필요한 노력은 소수의 전문가로 제한된 전체 분야를 유지합니다. 한 가지 중요한 어려움은 EM에 대해 보존된 샘플에서 관심 영역(ROI)을 식별하고 검색하는 것입니다. 동일한 샘플의 외관은 광학 현미경 검사법에 의해 분석될 때 와 EM 관찰을 위한 처리 후에 상당히 다릅니다. 화학적으로 제조된 시료에 대한 변화는 탈수 단계(각 차원에서~10%)와 고정 및 염색 프로토콜에서 osmium을 사용할 때 형광손실(도1A)을포함한다. 초박형 단면의 경우, 샘플은 상이한전략(도 1B)을사용하여 에폭시 또는 아크릴 수지에 내장되어 있습니다. 이 준비의 성공적인 결과를 얻으려면 전체 샘플을 1mm x 1mm를 초과하지 않는 조각으로 분별해야 합니다. 표준 전송 전자 현미경 검사법 (TEM) 관측 조건의 요구 사항을 충족하기 위해, 샘플의이 작은 부분은 추가 50-150 nm 두께의 조각으로 단면된다. 결과 그레이스케일 이미지는 다른 현미경기술(도 1C)보다더 자세하게 전체 샘플의 분분의 조직 조직 및 세포기관 구조를 보여줍니다. 일반적인 TEM 데이터 집합은 이론적으로 세포 및 조직의 3D 공간에서 발생하는 프로세스를 이해하기 위해 추정된 2D 정보를 제공합니다. 도 1D는 초구조적 볼륨 획득의 과제를 제시합니다: 측면 1,000 μm의 큐브가 50nm 두께로 단면되는 경우, 전체 부피를 커버하기 위해 20,000개의 섹션이 필요합니다. 500 μm 측면 큐브의 경우 10,000개의 섹션이 됩니다. 50 μm x 50 μm x 50 μm 부피를 커버하려면 1,000개의 섹션이 “만” 필요할 수 있습니다. 이 볼륨을 수동으로 얻는 것은 실질적으로 불가능하고 자동화로 수행하기가 매우 어렵습니다. 시료 깊이 이외에, 우리는 이러한 가상 큐브의 전체 표면을 커버해야하는 경우, 합리적인 해상도에 1 μm2 표면의 범위는 심각한 물류 문제가된다(도 1E). 커넥토믹스 접근법과 같은 비범한 대규모 프로젝트의 경우 많은 섹션이 중요하지만, 대부분의 “평범한” EM 프로젝트에서 관찰에 필요한 더 많은 섹션을 생성하는 것은 상당한 단점을 제시합니다.
3D 초구조 적 정보를 획득하는 몇 가지 방법이 있습니다 : 직렬 변속기 전자 현미경 검사법 (TEM), TEM 단층 촬영, 배열 단층 촬영 (AT), 직렬 블록 얼굴 이미징 스캐닝 전자 현미경 검사 (SBF-SEM), 집중 이온 빔 스캐닝 전자 현미경 검사 (FIB-SEM). 이러한 메서드 간의 주요 차이점은 단면 화 전략과 이미지 수집이 섹션생성 1과결합되는지 여부입니다. 직렬 단면 TEM에서 순차적인 섹션은 슬롯 그리드에서 수집되며, TEM 이미지는 이러한 시퀀스에서 생성되고정렬된 2,3,4,5. TEM 단층 촬영에서, 그리드의 150-300 nm 섹션에서 틸트 계열, 그리고 직렬 단면에 결합 할 때, 상대적으로 작은 볼륨6,7,8하지만,매우 높은해상도를제공합니다 . AT 접근 방식은 유리 커버슬립, 실리콘 웨이퍼 또는 특수 테이프와 같이 상대적으로 큰 지지에 다양한 수동 및 반자동 섹션 컬렉션의 물리적 단면을 사용합니다. 이미지 수집의 경우, 다양한 이미지 수집 전략이9,10,11,12,13,14,15로 SEM에서 분석된다. SBF-SEM의 경우, 물리적 단면은 SEM 챔버 내부에 직접 설정된 다이아몬드 나이프가 있는 미니 마이크로토메를 사용하여달성되며, 수지블록(16,17,18,19)의표면에서 생성된 SEM 영상을 갖는다. FIB-SEM의 경우, 이온 소스는 샘플의 얇은 층을 제거하고, 그 다음에 는 SEM20, 21에의해 노출된 표면의 자동 이미징이뒤따릅니다. TEM 단층 촬영 및 AT는 필요한 경우 다시 이미지화 할 수있는 물리적 섹션을 생성하며 FSBF-SEM 및 FIB-SEM은 이미징 후 섹션을 제거합니다. 멀티 빔 SEM에 의해 이미지된 물리적 섹션의 최근 조합은 이미지 수집속도(22)의“병목 현상” 문제를 해결하는 방법의 조합을 제공한다. 이러한 각 기술은 EM 데이터를 획득하고 분석하는 방식에 혁명을 일으켰으며 각 접근 방식은 주어진 연구 질문과 관련된 실질적인 영향을 미칩니다.
초구조적 차원의 준비 의 특성과 스케일을 감안할 때, 시료블록(Figure1D,E)에특정 대상 구조가 어디에 있는지 예측하는 것은 간단하지 않다. ROI 지역화의 한 가지 솔루션은 처음부터 원하는 해상도로 전체 블록의 이미지를 기록하는 것입니다. 관심구조는 현미경으로부터 멀어질 때 획득된 데이터 볼륨에 있을 수 있다. 이 전략과 관련된 수집 시간 및 데이터 처리는 문제가 됩니다. 기록된 데이터의 양을 감소시키는 것이 바람직하며, 특히 ROI가 조직 블록보다 훨씬 작은 경우, 즉 관심있는 개체가 특정 유형의 세포(전체 장기가 아님)인 경우. 상이한 상이한 상이한 상반되는 광및 전자 현미경기술(CLEM)은 동일한 샘플23,24,25,26,27,28,29내에서 제조 전후에 형광이 보존되고 국한될 때 성공할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 많은 세포 구조는 알려진 초구조에 기초한 형광 상관관계 없이도 인식할 수 있다. 이러한 경우 측면 스크리닝 어레이 단층 촬영은 ROI 현지화에 투자된 노력과 초구조적 정보 품질 사이의 균형 절충을 제공한다고 생각합니다. 이 전략을 사용하여 웨이퍼의 하위 섹션 집합은 ROI의 크기와 특성에 따라 설정할 수 있는 일정한 간격으로 검사됩니다. ROI가 발견되면, 데이터 수집은 앵커 섹션 전후부터 종료되는 일련의 섹션으로 설정되어 관련 정보를 대상으로 수집합니다.
우리는 다양한 섹션에서 지역 또는 관심의 이벤트의 인수를 단순화하고 가속화하고 더 잘 정렬 된 이미지 볼륨을 산출 AT에 대한 프로토콜을 제시한다. 측면 스크리닝 및 다단계 획득은 정밀타겟팅 된 지역에서 매우 높은 해상도의 데이터를 생성합니다. 우리가 설명하는 절차는 3D EM 데이터 수집의 몇 가지 과제를 해결합니다: 샘플 준비 워크플로우를 근본적으로 변경하지 않고 광범위한 표본과의 호환성; 단면 및 SEM 인수를 위한 대상 현지화; 설정 시 시간과 노력이 줄어듭니다. 결과 볼륨의 더 나은 정렬과 여러 섹션에서 영역의 이미징; 그리고 스티치 모자이크 그림으로 다른 이미지를 컴파일하는 부드러운 스티치 및 정렬 절차. 우리는 출판 및 진행 중인 프로젝트에서 여러 샘플로 방법의 강도를 입증하기로 결정했습니다. 우리는 이 접근 방식이 EM 경험이 제한된 조사관에게도 표적 EM 데이터의 생성 및 수집을 크게 촉진할 수 있다고 믿습니다.
전자 현미경 검사는 세포와 유기체의 초구조에 대한 통찰력을 제공하며, 이는 종종 3 차원 컨텍스트에 대한 관심구조를 이미지하는 것이 바람직합니다. 초구조 분석을 위한 수많은 EM 전술에도 불구하고 여전히 “골드 스탠다드” 솔루션은 없습니다. 주된 이유는 다양한 샘플, 많은 생물학적 질문으로, 종종 맞춤형 접근이 필요합니다. 제안된 AT 워크플로우는 샘플 처리, 데이터 수집, 평가 및 저장소에 필요한 시간을 최소화하도록 설계되었습니다. 또한 수정된 나이프는 배열 수집을 단순화하는 데 유용한 도구를 제공합니다. 웨이퍼의 섹션의 컴팩트한 레이아웃은 샘플의 관찰 및 후속 저장모두에 편리합니다. 이 배열을 사용하면 리본에서 리본으로 수평으로 이동하고 각 섹션에 하나의 섹션만 스캔하여 샘플의 “측면 스크리닝”을 가능하게 하여 ROI를 국소화하는 데 필요한 시간을 크게 줄입니다. 제안된 데이터 수집 시나리오는 작고 무작위로 분산된 영역의 타겟팅을 용이하게 합니다. 일단 발견되면 AT/SEM은 수동으로 수행하든 자동 기능의 도움으로 고해상도 이미징을 관심 있는 볼륨으로 정확하게 제한합니다. 제한된 볼륨에 대한 AT는 작업자가 샘플을 탐색하고 이미징 영역을 하나씩 정의하는 것으로 수동으로 완료할 수 있습니다. 소프트웨어의 자동화된 모듈은 큰 섹션에서 작은 영역의 이미징을 위한 유연한 이미지 수집 전략을 제공합니다. 이 소프트웨어의 자동화를 통해 수백 개의 섹션에 대형 고해상도 이미지를 기록하여 SBFI와 유사한 볼륨을 달성할 수 있습니다. 모든 섹션의 개요 이미지를 기록하면 ROI 현지화가 간소화되고 현미경에서 소요되는 시간을 줄입니다. 오버뷰 및 고해상도 미리 보기 기록 중에 섹션이 손상되지 않으므로 AT/SEM은 샘플을 재사용하여 다른 ROI의 추가 데이터를 수집하거나 더 높은 해상도로 수집할 수 있도록 허용합니다.
이미지 수집 시간은 3D EM의 가장 중요하고 가장 비싼 측면 중 하나이므로 실험 설계에서 고려해야 합니다. 넓은 부위를 이미징하는 데 작은 영역보다 더 오래 걸리는 것은 놀라운 일이 아니지만, 선택한 이미징 매개 변수에 따라 각 섹션의 획득 시간이 초마다 다를 수 있습니다. 중요한 이미징 매개 변수에는 시야, 해상도 및 거주 시간의 크기가 포함됩니다. 픽셀당 10nm의 목표 해상도와 1 μs의 투지 시간을 가정할 때, 20 μm x 20 μm, 100 μm x100 μm 또는 500 μm x500 μm의 필드를 이미징하는 데 4초, 100초 또는 2,500초가 소요됩니다. 우리는 전체 이미징 작업에 필요한 시간을 추정하기 위해 섹션 수로 이러한 섹션별 이미징 시간을 곱할 수 있습니다. 섹션 수가 적거나 현미경 도구 시간이 문제가 없는 경우 섹션당 긴 이미징 시간이 허용될 수 있습니다.
그러나 대부분의 경우 기록 시간을 야간 작업 또는 주말 작업으로 제한해야 합니다. 고려해야 할 3D EM의 똑같이 중요한 측면은 결과 이미지 데이터의 양과 구조입니다. 위에서 언급한 이미징 필드를 100개 섹션에서 기록하는 것은 각각 400MB, 10gb 또는 250gb의 이미지 데이터를 생성합니다. 500 μm x 500 μm 이미지는 각각 2gb보다 큰 추가 문제를 제기합니다. 데이터 평가에 사용되는 많은 소프트웨어 프로그램은 이 크기의 이미지를 열 수 없습니다.
이미징 시간을 줄이기 위해 후속 데이터 평가(예: 재구성, 추적)에 대한 신호 대 잡음 비율 요구 사항을 충족하고 기록을 정의된 ROI로 제한하는 것이 중요합니다. 소프트웨어의 AT 확장은 직렬 섹션의 작은 영역에서 이미지 수집을 용이하게 합니다. 이 소프트웨어는 수동 및 자동 워크플로우및 많은 반자동 변형을 지원합니다: 이미징 영역은 수동으로 배치하고 각 섹션에 초점을 맞출 수 있으며, 사용자는 자동 단면 파인더 및 위치 정렬 기능을 사용할 수 있습니다. 샘플 유형 또는 이미징 목표에 의해 선택되고 지원되는 자동화 수준에 따라 수백 개의 섹션에서 이미지 수집을 설정하는 데 필요한 시간은 전체 근무일(수동으로 완료) 또는 몇 분밖에 걸리지 않습니다. 원칙적으로 배열 단층 촬영은 작은 ROI를 획득하는 다른 3D EM 방법보다 더 어려워집니다. 연속 구간의 부정확한 영역 배치는 더 큰 영역을 획득하여 보상해야 합니다. 예를 들어, ROI가 크기가 20 μm x 20 μm이고 이미징 필드의 단면 위치 가변성이 10μm인 경우, 각 섹션에서 ROI가 완전히 캡처되도록 하기 위해 40 μm x 40 μm 이미지를 획득해야 합니다. 실제 이미지 위치 가변성은 위치 정렬 또는 사용자의 인내심을 위한 소프트웨어 기능의 가용성 또는 품질에 따라 100 μm에서 <10 μm까지 다양합니다. 이 소프트웨어를 사용하면 대부분의 샘플에서 너무 많은 수동 개입없이 10 μm을 달성 할 수 있습니다.
다른 기술과 마찬가지로 AT는 성공적인 데이터 수집에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 약점을 가지고 있으며, 많은 사람들이 다른 단면 기반 방법과 유사합니다. 빈 수지대 조직의 균질분포가 부족하면 곡면또는 파손된 배열이 발생할 수 있습니다. 극단적인 경우, 단면은 지지에서 분리될 수있다(도 6A). 절단 공정 중 가변 압축 또는 스트레칭은 후속섹션(그림 6B)에서가변 영역에서 샘플을 방해할 수 있는 접이를 만들 수 있다. 칼 자국은 손상된 나이프(도6C)를사용하여 수집된 섹션의 표면에 나타날 수 있다. 단면 조건의 차이는 가끔 단면 압축 및 두께 차이를 유도할 수 있습니다. 먼지 또는 먼지 입자는 단면에 착륙하여 관심영역(도 6D)을부분적으로 모호하게 할 수 있습니다. 불완전한 자동 대비, 자동 초점 및 자동 낙인 기능으로 인해 이미지 수집이 실패할 수 있습니다. 자동으로 생성된 이미징 영역의 위치는 가변적일 수 있으며 모든 섹션에서 ROI를 캡처하지 못할 수 있습니다.
스티치 및 정렬 단계에서 몇 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어 샘플 내부의 큰 빈 공간으로 인해 모자이크 타일 획득의 자동 스티치가 실패할 수 있습니다. 3D의 모양이 급격한 변화로 인해 이미지 스택을 등록하기가 어려울 수 있습니다. 특별히 개발 된 프로그램 (예 : IMOD, 피지, TrackEM2, MIB 또는 MAPS-AT)는 반자동 정렬32,38,39,40을용이하게 할 수 있습니다. 사진 편집 소프트웨어를 사용하여 보다 까다로운 섹션을 수동으로 정렬할 수 있습니다. 안타깝게도 일부 데이터 집합은 올바르게 정렬하는 것이 불가능할 수 있습니다.
그리드에 맞는 TEM 직렬 섹션에는 큰 샘플이 까다롭습니다. 반면에 많은 프로젝트는 FIB/SEM 또는 SBF-SEM을 사용하여 긴 자동 인수를 정당화하지 않습니다. AT는 웨이퍼의 직렬 섹션의 수집 및 조작이 슬롯 그리드보다 더 간단합니다 지루한 직렬 섹션 TEM에 대한 간단한 대안입니다. 배열의 수집을 용이하게 하기 위해 여러 전략이 개발되었으며 기존 툴킷을 확장하는 방법을 공유합니다. ROI의 식별이 어려운 경우 AT-SEM은 50~500개 섹션에서 세포기관 스케일 분해능이 필요한 샘플의 효율적인 선별과 함께 근본적인 이점을 제공합니다. 더 많은 볼륨의 경우 더 많은 섹션이 필요한 경우 자동 컬렉션 AT 전략을 효율적으로 수집할 수 있습니다. AT 샘플은 이전에 획득한 개요 이미지를 기반으로 고해상도 영역의 표적 이미징을 용이하게 하여 여러 번 다시 이미지화할 수 있습니다. 여기에서 제안된 AT/SEM에 의한 목표 분석 및 축소된 오버샘플링이 인건비 및 데이터 저장 요구 사항을 감소시한다고 생각합니다. 궁극적으로, 섹션의 라이브러리를 수집하고 나중에 재사용 및 상담을 위해 유지 관리 할 수 있습니다. 볼륨 획득의 경우 FIB 또는 SBF-SEM 접근 방식은 ROI가 블록 면에서 쉽게 식별할 수 있거나 분석에 큰 3D 볼륨이 필요한 경우 탁월한 솔루션을 제공합니다. 그러나 FIB/SBF-SEM은 고해상도 스택 이미지를 대상으로 정의된 ROI에서 수집해야 할 때 효율성이 낮습니다. 결론적으로 AT 샘플을 선별하는 제안된 방법과 중간 해상도 개요 이미지를 사용하면 이미지 수집을 섹션 배열의 관련 부분으로 제한할 수 있습니다. 이미징 영역을 정밀하게 목표로 하면 데이터 간 속도가 빨라지고 데이터 평가를 간소화합니다.
요약하자면, AT/SEM의 개념은 참신하지는 않지만, 그 사용은 여전히 그 장점이 제안하는 만큼 광범위하지 않습니다. 전반적으로 다른 기존 EM 메서드에 대한 보완 적인 절차를 제공합니다. AT/SEM은 광범위한 샘플 준비 프로토콜 및 이미징 워크플로우와 호환되며 모든 FIB/SEM 또는 SBF-SEM 현미경에서 동반 된 기술로 수행 할 수 있습니다. 이 문서에서는 다른 방법으로 성공적으로 해결할 가능성이 적은 샘플의 초구조 데이터를 기록하기 위해 AT에 집중했습니다. 우리는 섹션의 편리한 수집에 대한 설명 된 절차와 상당히 자동화 된 인수 전략이 방법을 만난 적이없는 사람들을위한 첫 번째 시도에 도움이 될 것이며 이미 경험이있는 사람들을 위해 그것을 완벽하게 하는 데 도움이되기를 바랍니다.
The authors have nothing to disclose.
우리는 AT 절차의 다른 단계의 이 발달 도중 그들의 지원에 대한 로잔 대학의 EM 시설의 회원들에게 감사드립니다. 우리는 가레스 그리피스, 마르타 로드리게스, 우르스카 렙니크, 크리스텔 제노드, 헬무트 그네기, 에이나트 젤링거, 파올라 모레노 로마, 루시 오브라이언과 린지 르웰린에게 원고와 비판적 독서를 준비하는 동안 토론을 하고 싶습니다. 마티아스 루솔프, 미하일 니콜라예프, 데반잘리 두타, 틸 마자트, 패니 랭글렛 등 다양한 시나리오를 시연하는 데 사용된 샘플을 인정하고 싶습니다.
Cutting | |||
AT sectioning knife | Diatome | DUATS3530 | Diatome Jumbo knife |
Diamond knife for trimming 90° | Diatome | DTB90 | Diatome trimming 20° Glass knife |
Pattex contact adhesive | Pattex | PCL3C | |
Silicon wafer | Ted Pella | 16015 | Resistance: 1-30 Ohms Type P: (Boron) (1 primary flat) Roughness: 2 nm No SiO2 top coating TTV: = <20 µm Wafer is polished on one side |
Ultramicrotome | Leica UC6 | Alternative: Leica UC7 | |
Wafer cleaving kit | EMS | 7642 | EMF, Small Sample Cleaver, CatNo. 7652 |
Image acquisition | |||
FESEM | Thermo Fischer Helios | 1072419 | Alternatives: Zeiss, Jeol, Hitachi, TESCAN |
Maps 3 for SEM with Correlative Workflow & Array Tomography | Thermo Fisher Scientific | 1135932 | Maps provides automation of SEM imaging workflows and allows importing of 3rd party data for CLEM and navigation. |
Image analysis | |||
Amira x.y | Thermo Fisher Scientific | 1131599 | Amira is a 3D data visualization and analysis software with several practical functions for Array Tomography data reconstruction. |
Image processing | Open source | Fiji (http://fiji.sc/#download) | IMOD, MIB (See text for refferences) |