يتم تقديم بروتوكول لدراسة الأنسجة البيولوجية بدقة مكانية عالية باستخدام المجهر بالرنين المغناطيسي العالي المجال (MRM) باستخدام ميكروكويل. يتم توفير تعليمات خطوة بخطوة لتميز microcoils. وأخيراً، يتم إظهار الأمثل للتصوير على جذور النبات.
يصف هذا البروتوكول معايرة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) وطريقة إعداد العينات للميكريلات اللولبية الدقيقة مع العينات البيولوجية، المصممة للتصوير بالرنين المغناطيسي عالي الدقة (MRI)، ويشار إليها أيضًا باسم المجهر MR (MRM). ويمكن استخدامه في مطياف التصوير بالرنين المغناطيسي قبل السريرية, أظهرت على عينات جذور اقتطاع Medicago . تزيد المغذيات الدقيقة من الحساسية من خلال مطابقة حجم جهاز الرنانة RF مع حجم العينة ذات الفائدة ، مما يتيح دقة صور أعلى في وقت الحصول على بيانات معينة. بسبب تصميم بسيط نسبيا، الكوتيل اللولبي هي واضحة ورخيصة لبناء ويمكن تكييفها بسهولة لمتطلبات العينة. بشكل منهجي، نحن نشرح كيفية معايرة مصغرة جديدة أو منزلية الصنع، وذلك باستخدام حل مرجعي. وتشمل خطوات المعايرة: تحديد طاقة النبض باستخدام منحنى الطعم؛ وطاقة الذبذبة باستخدام منحنى الذبذبات؛ وطاقة الذبذبات؛ والنبضات التي تستخدم في الزُ تقدير التجانس RF-مجال; وحساب نسبة إشارة إلى ضوضاء تم تسويتها بالحجم باستخدام تسلسلات النبض القياسية. وتناقش الخطوات الهامة في إعداد العينات للعينات البيولوجية الصغيرة، وكذلك العوامل المخففة المحتملة مثل الاختلافات في القابلية المغناطيسية. يتم عرض تطبيقات الملف اللولبي الأمثل من خلال التصوير ثلاثي الأبعاد لعينة جذر عالية الدقة (13 × 13 × 13 ميكرومتر3، 2.2 pL).
التصوير بالرنين المغناطيسي هو أداة متعددة الاستعمالات لصورة غير باضعة مجموعة واسعة من العينات البيولوجية ، بدءا من البشر إلى خلايا واحدة1،2،3. بينما التصوير بالرنين المغناطيسي-الماسحات الضوئية لتطبيقات التصوير الطبي عادة استخدام المغناطيس مع قوة حقل من 1.5 T إلى 3 T، يتم تصوير تطبيقات خلية واحدة في نقاط القوة مجال أعلى من ذلك بكثير1،3،4. يشار إلى دراسة العينات في القرارات أدناه مائة ميكرومتر كما المجهرية الرنين المغناطيسي (MRM)5. ومع ذلك، يعاني MRM من انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) مقارنة مع تقنيات المجهر أو التصوير الأخرى المتاحة (مثل المجهر البصري أو التصوير المقطعي المحوسب). يمكن اتباع العديد من النهج لتحسين SNR6. ويتمثل أحد النهج في استخدام قوة مجال مغناطيسي أعلى، في حين أن النهج التكميلي هو تحسين جهاز الكشف عن الإشارة بالنسبة للعينات الفردية. بالنسبة لهذه الأخيرة ، يجب تعديل أبعاد الكاشف لتتناسب مع أبعاد عينة الاهتمام. بالنسبة للعينات الصغيرة التي ≈0.5-2 ملم في القطر (على سبيل المثال، أنسجة الجذر)، تكون الميكونات الصغيرة مفيدة لأن SNR يتناسب عكسياً مع قطر اللفائف6،7. وقد تم تحقيق قرارات عالية تصل إلى 7.8 × 7.8 × 15 ميكرومتر3 على الخلايا الحيوانية باستخدام ميكروكويلات مخصصة8. توجد مجموعة متنوعة من أنواع microcoil ، مع لفائف اللولبية واللولبية الأكثر شيوعًا اعتمادًا على التطبيق وهندسة الأنسجة9. لفائف بلانار لديها حساسية عالية قريبة من سطحها، وهو أمر مفيد للتطبيقات على شرائح رقيقة. على سبيل المثال، تم وصف طريقة مصممة خصيصًا للتصوير النسيج المُنسج للميكويلات الدقيقة10. ومع ذلك، لفائف ألواح لها سقوط عالية من الحساسية ولا توجد قوة نبض مرجعية محددة جيدا. لفائف السولينيد، ويجري أسطواني، لديها مجال أوسع من التطبيق وأكثر تفضيلا لعينات أكثر سمكا. هنا، ونحن وصف خصائص لفائف اللولبي، بروتوكول لإعداد العينات للتصوير بالرنين المغناطيسي المجهري، فضلا عن معايرة مجهر اللولبي(الشكل 1A).
لفائف اللولبي يتكون من سلك إجراء ملفوف، مثل المسمار، حول الشعرية عقد العينة(الشكل 1B). يمكن بناء الجمعيات microcoil باستخدام الأسلاك النحاسية فقط المينا، ومجموعة متنوعة من المكثفات، وقاعدة مناسبة لحام المكونات (الشكل 1B). المزايا الرئيسية هي البساطة والتكلفة المنخفضة ، جنبا إلى جنب مع خصائص الأداء الجيد من حيث SNR لكل وحدة حجم و B1 التجانس الميداني. سهولة البناء تمكن من تكرار سريع من التصاميم لفائف والهندسة. وقد وصفت المتطلبات المحددة لتصميم اللولبي المجهري وتوصيف التحقيق (أي، ونظرية الإلكترونيات ، والقياسات منضدة العمل ، وقياسات مطياف لمجموعة متنوعة من هندسات لفائف) على نطاق واسع في أماكن أخرى7،11،12،13،14.
ويمكن بناء لفائف اللولبية من خلال الأخذ في الاعتبار قواعد التصميم للأبعاد المطلوبة وفقا للمبادئ التوجيهية الموصوفة في مكان آخر15,16. في هذه الحالة المحددة، تم استخدام لفائف بقطر داخلي 1.5 ملم، مصنوعة من الأسلاك النحاسية المناَق، قطرها 0.4 مم، تدور حول شعرية قطرها الخارجي 1.5 ملم. هذا اللولبي يقام على لوحة قاعدة التي يتم على الدائرة، وتتألف من مكثف ضبط (2.5 pF)، وهو مكثف مطابقة متغير (1.5-6 pF) وكذلك أسلاك ربط النحاس(الشكل 1A، 1C). يتم اختيار مكثف ضبط لتحقيق التردد الرنانة المطلوب من 950 ميغاهيرتز، في حين يتم اختيار مكثف مطابقة لتحقيق الإرسال إشارة الحد الأقصى في مقاومة 50 أوم. المكثف الأكبر متغير للسماح للتكيف أدق. في العملية العادية، يتم تنفيذ ضبط ومطابقة باستخدام المكثفات في قاعدة التحقيق. يجب تركيب الكِفِر الصغير المُجمَّع على مسبار بحيث يمكن إدخاله في المغناطيس. قد تكون هناك حاجة إلى حامل إضافي، اعتمادا على النظام. هنا نستخدم 22.3 T المغناطيس تركيبة مع بروكر وحدة التحكم Avance الثالث HD في تركيبة مع مسبار Micro5. في هذه الحالة، استخدمنا إدراج دعم معدل مجهزة الاتصالات اللازمة للاتصال إلى قناة 1H من التحقيق (الشكل 1A).
ويشمل التصميم المطابق للقابلية لللفائف خزاناً مع سائلاً مفلوراً للحد من عدم التطابق بين الحساسية، الناشئ عن لفائف النحاس التي تقع على مقربة من العينة17. تم صنع خزان من حقنة بلاستيكية لإحاطة الملف ومليئة بالفوبلين. كما يحتاج السائل perfluorinated إلى إحاطة لفائف، يتم تخفيض القطر المتاح لعينة إلى قطر خارجي من 1 ملم. ولسهولة تغيير العينة، تم إعداد العينة في شعر شعري بقطر خارجي قدره 1 مم وقطر داخلي يبلغ 700 ميكرومتر. يتم عرض الأدوات اللازمة لإعداد العينة في الشكل 2A.
تعتمد معلمات MR التجريبية الأساسية بشكل كبير على أجهزة النظام المستخدم، بما في ذلك نظام التدرج وقوة الحقل ووحدة التحكم. يمكن استخدام العديد من المعلمات لوصف أداء النظام، منها 90 درجة طول النبض والطاقة، B1-التجانس و SNR لكل وحدة حجم (SNR / مم3)،هي الأكثر ملاءمة من الناحية العملية. SNR / مم3 مفيد لمقارنة أداء لفائف مختلفة على نفس النظام18. وفي حين أن الاختلافات في الأجهزة عبر النظم قد توجد، فإن التطبيق الموحد لبروتوكول القياس ييسر أيضا مقارنة أداء النظام.
ويركز هذا البروتوكول على المعايرة وإعداد العينات. ويظهر توصيف تدريجي لأداء الميكروفات اللولبية: معايرة طول النبض 90 درجة أو الطاقة؛ تقييم تجانس مجال الترددات الراديوية؛ وحساب SNR لكل وحدة حجم (SNR / مم3). ويرد وصف قياس صدى الدوران موحدة باستخدام وهمية لتسهيل مقارنة التصاميم لفائف، والذي يسمح لتحسين تطبيقات متميزة. يوصف الاستعدادات عينة العينة الوهمية والبيولوجية، محددة للميكونات الصغيرة. ويمكن تنفيذ البروتوكول على أي مغناطيس عمودي مناسب ضيق (≤60 مم) مجهز بنظام مجهري متاح تجارياً. أما بالنسبة للنظم الأخرى، فيمكن أن يكون بمثابة دليل إرشادي ويمكن استخدامه مع بعض التعديلات.
إعداد العينة البيولوجية لقياسات التصوير بالرنين المغناطيسي عادة ليست واسعة جدا منذ يتم تصوير العينة سليمة كما ممكن. ومع ذلك، يمكن أن تسبب مساحات الهواء في الأنسجة البيولوجية التحف الصورة بسبب الاختلافات في قابلية المغناطيسي19. يزيد تأثير مع زيادة قوة المجال المغناطيسي20. وهكذا، ينبغي تجنب المساحات الهوائية في نقاط قوة عالية في الميدان، وهذا قد يتطلب غمر العينة في سائل لتجنب الهواء حول الأنسجة وإزالة مساحات الهواء داخل هياكل الأنسجة. على وجه التحديد، عندما يتم استخدام microcoils، قد تكون هناك حاجة الختان من الأنسجة العينة المطلوبة، تليها غمره في سائل مناسب. ويتبع ذلك إدخال العينة في شعرية قبل القطع ، وأخيراً ختم الشعيرات الدموية بالشمع الشعري. استخدام الشمع كما تسرب بدلا من الغراء، واللهب الختم أو بدائل، يعني أن العينة قد تكون استخراجها بسهولة. هذا الإجراء هو مبين على جذر من طاعونة Medicago، وهو نبات صغير البقوليات. ومن مزايا هذا البروتوكول إمكانية التسجيل المشترك اللاحق لبيانات التصوير بالرنين المغناطيسي باستخدام المجهر البصري، حيث لا يتم تدمير العينة أثناء قياس التصوير بالرنين المغناطيسي.
والبروتوكول المعروض مناسب للقياسات المكانية العالية الدقة في الموقع، ويمكن أن تسمح التصاميم الأكثر تفصيلاً بالتصوير في عينات من الحي، حيث يتعين التصدي للتحديات المتعلقة بأنظمة دعم الحياة.
هذا البروتوكول هو الأنسب للعينات البيولوجية، والعديد من المواد والعينات الجيولوجية لديها أقصر بكثير T2 أوقات الاسترخاء، والتي لا يمكن أن تكون صورة من قبل التسلسلات المستخدمة هنا. حتى بعض الأنسجة البيولوجية، التي تظهر ارتفاع عينة المغناطيسي عدم القابلية للخواص، يمكن أن يكون من الصعب صورة في مجال فائقة عالية كما ترتبط الآثار لقوة الحقل24. البروتوكول ليس فقط مفيدة للفائف جديدة ولكن قد تساعد أيضا في استكشاف الأخطاء وإصلاحها وتشخيص المشاكل المحتملة. عند اختبار عينات جديدة أو غير معروفة، يمكن تنفيذ هذا البروتوكول مسبقاً على الحل المرجعي للتحقق من أن الإعداد التجريبي يعمل وفقاً للمواصفات. يساعد هذا في استكشاف الأخطاء وإصلاحها منذ أن يمكن استبعاد مطياف كمصدر من القطع الأثرية والأعطال. بالإضافة إلى ذلك، هذا يعين المكثفات التوليف ومطابقة على التحقيق إلى القيم النموذجية للميكويل.
عندما يتم تسجيل أي إشارة على التجربة الأولى، يمكن توسيع مجال عرض المسح localizer للتحقق من ما إذا كان ينظر إلى العينة. بعد ذلك، إعادة التحقق إذا تم ضبط الملف بشكل صحيح وحاول آخر المسح الضوئي المحلي. فمن الممكن أن لفائف يسلك وسائط رنانة غير مقصودة إضافية، وفي هذه الحالة الصحيح واحد يحتاج إلى تحديد. إذا لم يكن بالإمكان الحصول على أي صورة حتى الآن، قم بإزالة العينة للتحقق من موقعها داخل مجموعة الميكرويوتر والتحقق من أن العينة سليمة (أي لا توجد فقاعات هواء أو تسربات في الأختام). وأخيراً، يمكن إعداد عينة بالماء بدلاً من PFD. في حالة إعطاء العينة إشارة يمكن اكتشافها قليلا في المسح localizer، لا يزال يمكن الكشف عن المياه المحيطة بها في الشعرية.
كما microcoils هي من الناحية المثالية قريبة جدا من العينة، يمكن أن الاختلافات القابلية للحساسية المغناطيسية بين الهواء والأسلاك يسبب خسارة إشارة إضافية، كما رأينا في الشكل 7B. وتشمل القطع الأثرية المحتملة سوء تحديد المكانية واختلاف كثافة الإشارة الشاذ. وتتأثر بشكل خاص تسلسلات نبض نوع الارتدادات من خلال فقدان الإشارة غير الموحد. لهذا السبب، قدمنا لفائف قابلة للحساسية مطابقة، عن طريق غمر السلك في سائل الفلورينرت (فومبيلين أو FC-43). ويمكن لطريقة التقدير B1 المدرجة في هذا البروتوكول أن تساعد في تحديد ما إذا كانت الاختلافات في قابلية الحساسية من B1 تبرر إدراج استراتيجيات مطابقة القابلية للحساسية في تصميم تجميع الملف. نهج بديل لبناء لفائف قابله للقابلية هو استخدام الأسلاك قابله للمطابقة25. وعلاوة على ذلك، يتم معالجة المسائل القابلية للتأثر فقط بسبب الملف مع هذا النهج. ولا تزال حالات عدم التطابق داخل العينة (على سبيل المثال بسبب المساحات الجوية) صعبة.
تشكل جيوب الهواء أو الفقاعات تحديًا تجريبيًا يسبب فقدانًا واسعًا للإشارة ، بسبب الاختلافات القابلية للحساسية عند واجهة الهواء والسوائل أو العينة19 (الشكل 5A). جانب حاسم من إعداد العينة الناجحة هو غمر كل من العينة والشعيري. ومع ذلك، يمكن أن تتسبب حتى الفقاعات الصغيرة في خسائر الإشارة، خاصة بالنسبة لمتواليات نوع الصدى التدرجي. يمكن أن تهاجر فقاعات الهواء المحمول عبر الشعيرات الدموية حتى تكون على اتصال بالعينة. بعض هذه الآثار يمكن تخفيفها عن طريق إمالة قليلا الشعرية بحيث نهاية واحدة أعلى من الأخرى. يضمن الإمالة عقد فقاعات الهواء المحتملة في مكان في نهاية أعلى، دون إزعاج العينة. من المهم أيضا التحقق من أن الشمع الشعري يشكل ختم جيد، كما يمكن أن يسبب الجفاف فقاعات الهواء الكبيرة لتشكيل.
للمساحات الهوائية داخل العينة، تم استخدام PFD لملء مساحات الهواء بين الخلايا في حين لا تخترق أغشية الخلايا26. ومع ذلك، حتى مع هذا النهج، لم نتمكن من إزالة جميع المساحات الجوية. بالإضافة إلى ذلك، هذا النهج يعني أننا بحاجة إلى وكيل إضافي، والذي عادة ما لا يفضل بسبب الرغبة في دراسة نظام كما nonininsively ممكن.
الشكل الأسطواني من الشعيرات الدموية يعني أن الاجهزة في الفير يجب أن تكون قابلة للحياة، وخاصة بالنسبة للأنسجة المعرضة للاضمحلال، مثل الخزعات أو دراسة العمليات في المواد الجذرية الحية. يمكن أن تحقق خطوتين إعداد perfusion. أولاً، ربط أنبوب تغذية متوسطة بالإضافة إلى أنبوب استنزاف على جانبي الشعيرات الدموية سيكون كافياً لإنشاء chemostat. ثانياً، يمكن أن يؤدي إضافة مسافة بادئة في عينة الشعيرية إلى الاحتفاظ بالعينة في مكانها مقابل اتجاه التدفق. وهذا يماثل بروتوكول نشر للميكروفات الدقيقة10.
الطبيعة غير الباضعة للتصوير MR، جنبا إلى جنب مع السائل الخامل المستخدمة في هذا البروتوكول (PFD أو فومبيلين) يعني بعد الانتهاء من التجارب، قد تتم إزالة العينات من الشعيرات الدموية لمزيد من الدراسة. وتشمل التركيبات المجهر البصري أو الإلكتروني وتقنيات التصوير الهدامة الأخرى. لقد أظهرنا مؤخرا تركيبة مع المجهر البصري على ميديكاغو truncatula العقيدات الجذر27.
لقد أظهرنا طريقة لتصوير المواد النباتية باستخدام ميكروكويلات مخصصة على مطياف NMR الميدانية العالية للغاية. ويمكن دراسة كميات كبيرة نسبيا عينة في دقة عالية مع التجانس RF جيدة. وعلاوة على ذلك، يمكن إجراء التصوير الطيفي بدقة أعلى مما هو ممكن. يتم تسهيل تكييف تصميم microcoil للعينات بواسطة طريقة فعالة لتحديد خصائص أداء الملف. كما يمكن تطبيق نهج اللولبية اللولبية بسهولة على عينات أخرى غير النباتات، بما في ذلك الأنسجة الحيوانية.
The authors have nothing to disclose.
وقد تم دعم التجارب في جهاز MHz 950 من قبل UNMR-NL، وهو مرفق خارطة طريق وطني واسع النطاق ممول من NWO في هولندا (المشروع 184.032.207). وقد دعم مشروع اتحاد الخلايا البيولوجية الشمسية (BioSolarCells U2.3) R.S. وقد تم دعم J.R.K. من قبل مدرسة هولندا لبحوث الرنين المغناطيسي (NMARRS) كلية الدراسات العليا [022.005.029]. نشكر ديفنغ شين وتون بيسلينغ لتقديم عينات من “ميديكيغو” .” كما نشكر كلاارتي هوبن وماري رينو ويوهان فان دير زوان على الدعم التقني في منشأة UNMR-NL. ونود أيضا أن نشكر فولكر ليمان، وهيني يانسن، وبيتر دي وابارد على المساعدة التقنية. ونعرب عن امتناننا لفرانك فيرلد، وجون فيليب، وكارتيك ب. ساي سانكار غوبتا على نصائحهم. وأخيراً، نشكر جيسيكا دي رويتر على تقديمها الصوت إلى الفيديو.
Reference solution preparation | |||
CuSO4 | Sigma-aldrich | 469130 | Crystalline powder for creating reference solution |
D2O | Sigma-aldrich | 151882 | Liquid used to prepare reference sample |
Weigh Scale | Sartorius | PRACTUM513-1S | Scale for weighing compounds |
Sample preparation | |||
Capillary 1000 μm (Outer diameter) | Hilbenberg GmbH | 1408410 | Sample capillaries |
Capillary wax | Hampton Research | HR4-328 | Solid wax used to seal samples |
Disposable Scalpel | Swann-Morton | No. 11 | Used to excise samples |
Perfluorodecalin | Sigma-aldrich | P9900 | Liquid used for submerging sample |
Stereo Microscope | Olympus | SZ40 | Tabletop binocular microscope |
Syringe | Generic | – | Used to apply PFD and manipulate the sample |
Vacuum Pump | Vacuubrand | MZ2C | Two-stage membrane vacuumpump used for removing air pockets from samples. |
Wax pen | Hampton Research | HR4-342 | Handheld wax pen used to melt and apply capillary wax to samples |
Imaging Hardware | |||
22.3 T Magnet | Bruker GmbH | 950 US2 | Narrowbore superconducting magnet |
Air cooler | Bruker GmbH | – | Used to regulate probe temperature |
Console | Bruker GmbH | Avance III HD | Controls operation of the spectrometer |
Micro5 gradient coils | Bruker GmbH | Mic5 | Removable gradient coils mount on the Micro5 probe body |
Micro5 Probe body | Bruker GmbH | Mic5 | Holds microcoils and gradient coils |
RF microcoil | Home-built | – | contains Fomblin |
Vector Network Analyzer | Copper Mountain Technologies | TR1300/1 | Used to perform S11 reflectance test, frequency range 300kHz to 1.3 GHz |
Water cooler | Bruker GmbH | BCU-20 | Open loop watercooling to dissipate heat from gradient coil operation. |