Summary

Визуализация эндосоме Dynamics в живых нервных окончаний с Четырехмерное флуоресценции изображений

Published: April 16, 2014
doi:

Summary

Четырехмерное (4D) визуализация используется для изучения поведения и взаимодействия между двумя типами эндосомах в живых позвоночных нервные окончания. Движение этих небольших структур характеризуется в трех измерениях, позволяя подтверждение событий, таких как эндосом синтеза и экзоцитоза.

Abstract

Четырехмерное (4D) свет визуализации была использована для изучения поведения малых структур в двигательных нервных терминалов тонкой поперечная мышца живота Подвязки змеи. Сырье данных содержит покадровой последовательности 3D Z-стеки. Каждый стек содержит 4-20 изображений, полученных с эпифлуоресцентной оптике в фокальных плоскостях, разделенных 400-1,500 нм. Шаги в приобретении стеки, таких как настройка фокуса, переключение длин волн возбуждения, и эксплуатация цифровыми камерами, автоматизированы как можно больше, чтобы максимизировать скорость изображения и уменьшения повреждения тканей от воздействия света. После приобретения, набор изображений стеков deconvolved улучшить пространственное разрешение, преобразуется в нужный формат 3D, и используется для создания 4D "кино", который подходит для разнообразных анализов компьютерных, в зависимости от экспериментальных данных стремились. Одним из применений является исследование динамического поведения двух классов эндосомах найденных в нервных окончаниях-macroendosomes (MES)и кислотные эндосомы (НЯ)-чьи размеры (200-800 нм для обоих типов) находятся на или вблизи дифракционного предела. Доступ к 3D информации в каждый момент времени обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с обычными покадровой обработки изображений. В частности, размер и скорость движения структур может быть определена количественно с течением времени без потери фокусе. Примеры данных изображений 4D показывают, что МЭ подход плазматическую мембрану и исчезают, что указывает, что они экзоцитозу, а не просто перемещение в вертикальной плоскости от одной плоскости фокуса. Также выявлено является предполагаемый слияние МЧС и ОПЗ, по визуализации перекрытия между двумя красителей, содержащих структур, как видно на каждых трех ортогональных проекций.

Introduction

Покадровый визуализации живой ткани обеспечивает визуальный доступ к динамических структурно-функциональных отношений, которые не могут быть оценены в фиксированных или живых препаратов отображаемого в одной точке во времени. Часто, однако, плата за доступ к временной информации является уменьшение оптическим разрешением. Высокие цели масло-погружные числовая апертура непрактичны в живой ткани из-за их узкого круга внимания, оставляя погружение в воду или сухие целей в качестве единственных альтернатив. Кроме того, повышенное разрешение, обеспечиваемая конфокальных оптики не могут быть использованы в некоторых живых препаратов из-за фототоксичности от относительно высоких уровней освещенности, необходимых 1,2. Наконец, в то время как несколько в режиме реального времени или покадровой оптические методы доступны, что предложение улучшенное разрешение, их применимость ограничена препаратов, где структуры интересов могут быть расположены в пределах нескольких сотен нанометров в цели 1. Способ, описанныйиспользует относительно недорогое оборудование, является универсальным, но предлагает улучшенное разрешение по сравнению с более часто используемых методов покадровой. Он предназначен для использования в отдельных лабораторий, а также изображений объектов.

Способ использует обычную эпифлюорисцентной микроскопии, в сочетании с чувствительным цифровой камеры и с средств, предназначенных для быстро приобретать наборы изображений при слегка различных фокальных плоскостях (Z-стеки). Каждый Z-Stack имеет цифровую deconvolved увеличить разрешение. Одной из особенностей 3D покадровой (4D) изображений является точным сопровождение движущихся органеллы или другие структуры. При правильной настройке, распечатанных структуры не идут не в фокусе, и движение во всех трех направлениях можно наблюдать и количественно. Таким образом, невозможно для окрашенных структура исчезнуть в течение одного или нескольких покадровой кадров просто дрейфующими выше или ниже узкой фокальной плоскости. Способ также служит в качестве чувствительного инструмента для оценки взаимодействия и возможного фуСион малых структур. Обычные эпифлуоресцентная или конфокальной образы структур вблизи дифракционного предела (несколько сотен нм) не подтверждают слияние даже если объединены изображения показывают перекрытие их соответствующих этикеток 3. Fusion предлагается, но остается возможность, что объекты разделены горизонтально или вертикально на расстоянии, которая находится ниже дифракционного предела. Три или четыре-мерной визуализации, напротив, допускает просмотр предметов в каждом из трех ортогональных направлений. Появление синтеза во всех трех видах повышает уровень достоверности. И, в некоторых живых препаратов, направленных или броуновское движение предположительно конденсированных объектов предоставляет дополнительные доказательства, когда обе метки двигаться вместе со временем. Конечно, когда рядом с дифракционного предела уровень определенности в требовательных структур из фоне, или показывая, что они содержат две красители (фьюжн), не является абсолютным. Если это применимо, специализированные методы, такие как флуоресценции резонансной передачи энергии (FRET)4, являются более подходящими.

Protocol

1. Пятно препарат с суправитальной красителей Для протокола вскрытия подвязка змея см. Stewart и соавт. 5 и Teng соавт. 6 Reptilian ткани остается физиологический течение более длительного времени, и с меньшим бактериального заражения, при хранении при низких температур…

Representative Results

Данные, приведенные в от змея нервно-мышечных терминалов (см. низкие и высокие виды увеличения изображения на рисунке 3; эндоцитотический краситель (FM1-43) поглощение создает туман, который заполняет каждый Bouton) и, в частности, macroendosomes (MES) и кислотные эндосомы (НЯ) в этих терминала?…

Discussion

Наиболее важным аспектом визуализации 4D является управление от продолжительности и интенсивности освещенности. Фотообесцвечивание уменьшается соотношение изображения сигнал-шум и может быть проблематичным или нет в зависимости от различных факторов, в том числе выбора флуорофорам…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана американского Национального института здравоохранения Грант NS-024572 (для RSW).

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments
Reagents:
SGC5 Biotium [Hayward, CA] 70057 Final conc:10 mM
FM1-43FX Invitrogen [Carlsbad, CA] F35335 Final conc:7 mM
LysoTracker Red Invitrogen [Carlsbad, CA] L7528 Final conc:0.2 mM
Solutions:
Reptilian Ringers pH 7.2
NaCl 145 mM
KCl 2.5  mM
CaCl2 3.6  mM
MgSO4 1.8  mM
KH2PO4 (Dibasic) 1.0  mM
HEPES 5.0  mM
High KCL Reptilian Ringers pH 7.2
NaCl  86  mM
KCl  60  mM
CaCl2 3.6  mM
MgSO4 1.8  mM
KH2PO4 (Dibasic) 1.0  mM
HEPES 5.0  mM
High Sucrose Ringers pH 7.2
NaCl 145 mM
KCl 2. 5 mM
CaCl2 3.6  mM
MgSO4 1.8  mM
KH2PO4 (Dibasic) 1.0  mM
HEPES 5.0  mM
Sucrose 0.5 M (17.1 gm/50 mL)
Equipment:
Name Company Comments Comments(website)
Axioplan 200 inverted microscope Carl Zeiss [Thornwood, NY] www.zeiss.com
N-Achroplan 63X water objective; n.a.=0.9; Working distance=2.4mm  Carl Zeiss [Thornwood, NY] www.zeiss.com
DG4 combination light source/excitation filterwheel switcher Sutter instruments [Novato, CA] 175W Xenon arc lamp www.sutter.com
Lambda 10-2  emission filterwheel switcher Sutter instruments [Novato, CA] www.sutter.com
Sensicam CCD camera Cooke Instruments [Tonawanda, NY] www.cookecorp.com
Cascade 512 CCD camera Photometrics [Tucson, AZ] www.photometrics.com
Imaging dishes- made in-house-11cm dia.; 25 mm dia. #1 coverslip embedded; magnetic pins
Software:
Name Company Comments Comments(website)
Slidebook 5.0 Intelligent Imaging Innovations [Denver, CO] Deconvolution; Drift correction;3D and 4D data presentation www.intelligent-imaging.com
IMARIS 7.5.2 Bitplane [South Windsor, CT] Drift correction; 3D and 4D data presentation www.bitplane.com
AfterEffects CS6 Adobe [San Jose, CA] Drift correction www.adobe.com
ImageJ 1.46 National Institutes of Health [Bethesda, MD] Multiple plugins available;Stereo pair construction http://rsbweb.nih.gov/ij
Zeiss LSM Carl Zeiss [Thornwood, NY] Stereo pair construction www.zeiss.com

Referências

  1. Frigault, M. M., Lacoste, J., Swift, J. L., Brown, C. M. Live-cell microscopy-tips and tools. J. Cell Sci. 122 (6), 753-767 (2009).
  2. Tinevez, J. -. Y., et al. A quantitative method for measuring phototoxicity of a live cell imaging microscope. Meth. Enzymol. 506, 291-309 (2012).
  3. Dunn, K. W., Kamocka, M. M., McDonald, J. H. A practical guide to evaluating colocalization in biological microscopy. Am. J. Physiol. Cell Physiol. 300, (2011).
  4. Snapp, E. L., Hegde, R. S. Rational design and evaluation of FRETexperiments to measure proteinproximities in cells. Curr. Protoc. Cell Biol. 17, (2006).
  5. Stewart, R. S., Teng, H., Wilkinson, R. S. Late” macroendosomes and acidic endosomes in vertebrate motor nerve terminals. J. Comp. Neurol. 520, 4275-4293 (2012).
  6. Teng, H., Lin, M. Y., Wilkinson, R. S. Macroendocytosis and endosome processing in snake motor boutons. J. Physiol. 582, 243-262 (2007).
  7. McNally, J. G., Karpova, T., Cooper, J., Conchello, J. A. Three-dimensional imaging by deconvolution microscopy. Methods. 19, 373-385 (1999).
  8. Swedlow, J. R., Platani, M. Live cell imaging using wide-field microscopy and deconvolution. Cell Struct. Funct. 27, 335-341 (2002).
  9. Cromey, D. W., Taatjes, D. J., Roth, J. Digital images are data: and should be treated as such. Methods Mol. Biol. 931, 1-27 (2013).
  10. Teng, H., Wilkinson, R. S. Clathrin-mediated endocytosis near active zones in snake motor terminals. J. Neurosci. 20 (21), 7986-7993 (2000).
  11. Teng, H., Cole, J. C., Roberts, R. L., Wilkinson, R. S. Endocytic active zones: hot spots for endocytosis in vertebrate nerve terminals. J. Neurosci. 19 (12), 4855-4866 (1999).
  12. Tan, T. T. T., Khaw, C., Ng, M. M. L., Mendez-Vilas, A., Diaz, J. Challenges and recent advances in live cell bioimaging. Microscopy: Science, Technology, Applications and Education. , 1495-1505 (2010).
  13. Verbrugghe, K. J. C., Chan, R. C. Imaging C. elegans embryos using an epifluorescent microscope and open source software. J. Vis. Exp. (49), (2011).
check_url/pt/51477?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Stewart, R. S., Kiss, I. M., Wilkinson, R. S. Visualization of Endosome Dynamics in Living Nerve Terminals with Four-dimensional Fluorescence Imaging. J. Vis. Exp. (86), e51477, doi:10.3791/51477 (2014).

View Video