使用聚焦离子束铣削从冷冻生物样品中产生玻璃体网格片,用于冷冻电子断层扫描。
这里介绍的是从 恶性疟原虫感染的人红细胞的冷冻网格中制备冷冻薄片的方案,可以很容易地适用于其他生物样品。制备样品、研磨和观察薄片的基本原理对于所有仪器都是通用的,该协议可以作为用于冷冻电子显微镜 (cryoEM) 和冷冻电子断层扫描 (cryoET) 的并网冷冻薄片制备的一般指南。使用手动或自动冷冻机将支撑细胞的电子显微镜网格冷冻到液氮冷却的液态乙烷中,然后在配备冷冻台的光学显微镜上进行筛选。冷冻网格被转移到配备聚焦离子束(cryoFIB-SEM)的冷冻扫描电子显微镜中。网格在铣削前通常进行溅射镀膜,这有助于在铣削过程中分散电荷积聚。或者,可以使用电子束旋转镀膜机在网格上涂上一层碳铂,可以更精确地控制其确切厚度。一旦进入冷冻FIB-SEM,通过气体注入系统(GIS)将有机铂化合物的附加涂层涂覆到网格表面。该层在铣削时保护薄片的前边缘,其完整性对于实现均匀薄的薄片至关重要。通过SEM识别感兴趣的区域,并以逐步的方式进行铣削,当薄片达到电子透明度时减少离子束的电流,以避免产生过多的热量。然后将具有多个薄片的网格在低温条件下转移到透射电子显微镜(TEM)中进行倾斜串联采集。用于薄片制备的稳定且无污染的工作流程是下游技术的重要步骤,包括细胞冷冻电镜、冷冻电子管和亚断层图平均。开发这些技术,特别是用于高压冷冻样品的提出和研磨,是该领域的重中之重。
只有 <500 nm 厚的生物样品的细胞内容物才能在低温下通过透射电子显微镜 (TEM) 进行有效成像,从而将标本的范围限制在病毒、原核生物、简单的单细胞生物和较大真核细胞的较薄区域1.网格聚焦离子束 (FIB) 铣削可在低温 (< -150 °C) 下将较厚的切入冷冻生物样品变薄为电子透明薄片。然后将产生的薄片转移到TEM进行可视化和断层扫描数据收集,从而能够对细胞内的细胞和分子特征进行高分辨率3D重建(有关评论,请参阅Rigort等人,2012 2,Oikonomou等人,20163和Wagner等人,20204)。
FIB铣削源于材料科学领域,在该领域,样品通常会变薄,为下游分析做准备5。它在扫描电子显微镜(SEM)中进行,扫描电子显微镜具有两个光学柱:常规扫描电子显微镜光学元件和第二列包含能够产生和精细控制聚焦离子束(FIB)的光学元件 – 称为FIB-SEM。这允许样品的特定区域被镓源产生的离子烧蚀,去除多余的材料并留下薄片6。研磨过程由样品形貌的SEM成像引导,用于定位感兴趣区域并监控研磨进度。对于生物应用,基本设置大致相同,但研磨是在低温下进行的。这要求标准FIB-SEM适应具有低温冷却阶段,以保持恒定的温度和低表面污染率,以及气闸以促进样品转移而不会失透或污染。样品穿梭也经过修改,允许在cryoFIB-SEM内安装一系列不同的载体,包括TEM网格、平板和毛细管。几个关键的研究人员小组一直是这些方法的发展和该领域持续技术进步的核心7,8,9,10,11,12。商业解决方案现在更广泛地用于低温下的生物FIB铣削,并且考虑到优化的样品,薄片的网格铣削正变得越来越常规。
一系列室温和冷冻电镜技术可用于可视化所有生命尺度的细胞信息,从中等分辨率的整个多细胞生物到更详细地了解细胞水平复杂过程的背景,再到确定 in situ 分子结构13,14,15,16,17,18,19.经典的室温技术包括通过超薄切片法切片固定和染色的树脂嵌入细胞和组织,以通过TEM分析细胞形态(回顾见Studer等人,200820).已经开发了利用SEM二次电子散射对保存细胞块的表面进行成像的替代技术,然后用刀(连续块面成像)或聚焦离子束逐渐去除材料21,22,23.该技术也已在低温下成功实施(称为冷冻体积成像),在玻璃体、未染色的细胞或组织块上使用 cryoFIB-SEM24.或者,可以通过STEM成像铣削和研究较厚的薄片(~15μm厚)25.使用这些技术,可以对包含许多细胞的整个块进行成像以收集群体信息,或者可以在3D中对整个器官/生物体进行成像和重建。然而,为了从细胞中获取高分辨率分子信息,样品需要以接近天然的冷冻水合状态保存,因此需要在低温条件下制备。玻璃体切片的冷冻电子显微镜(CEMOVIS)是一种在低温条件下用超薄切片机对生物材料的高压冷冻块进行切片的技术。这会产生冷冻切片带(40-100 nm 厚)26,它们连接到 EM 网格并在 TEM 中成像。然而,刀与玻璃体样品的物理相互作用会导致裂缝和压迫伪影,从而严重扭曲细胞结构27,28,29,30.较厚的切片更容易出现这些伪影,因此使用厚度超过~70 nm的部分是不切实际的26.这种限制极大地限制了断层图中生物结构的3D视图。低温下的FIB铣削不会遇到这些问题,但由于试样各部分的铣削速率不同而产生自己的伪影,导致薄片内的厚度变化 – 称为窗帘。通过气体注入系统(GIS)应用有机铂涂层可以缓解此问题,该系统在铣削过程中保护薄片的前边缘31.网格FIB铣削的样品厚度上限由在保持样品玻璃体的同时切入冻结试样的能力来定义32,尽管随着冷冻提取技术和适用于生物标本的样品载体的引入,FIB 研磨也可用于处理高压冷冻样品31,33,34,35.此外,切入冷冻样品不能太薄,因为必须有足够的生物材料来生成合理大小的薄片,该薄片将提供足够的表面积以所需的放大倍数收集倾斜系列。这个问题可以通过铣削较小细胞团块(如细菌或酵母)来缓解。最终薄片厚度(~100-300 nm)通常由样品完整性和铣削策略决定。较薄的薄片更适合高分辨率的结构工作,例如亚断层扫描平均,但较厚的薄片包含比CEMOVIS可以实现的更大的细胞体积,从而在接近天然保存的样品中提供更多的细胞环境。FIB研磨也可用于稀释冷冻蛋白质晶体以进行电子衍射研究36.
如果科学问题需要 原位近天然标本的高分辨率分子细节,则玻璃体细胞的FIB铣削值得花时间和精力进行。随着更多用于常规生产薄片的设施,限速步骤通常是在研磨之前优化样品,此时必须花时间确保样品是玻璃体的,并且厚度合适,以产生坚固且均匀薄的薄片。这里描述的是感染恶 性疟原 虫(疟疾病原体)的FIB研磨切入冷冻人红细胞的样品优化,但这种方法可以适用于任何给定的样品。
虽然冷冻FIB研磨变得越来越常规,但制备用于研磨的最佳样品却没有;因此,该协议中的大多数关键步骤都发生在样品到达cryoFIB-SEM之前。在尝试研磨之前,需要通过多轮细胞制备、冷冻以及光学和电子显微镜筛选来优化样品,以生产出最佳样品。拥有最好的样品不仅可以增加成功的机会,还可以优化设备的使用。出于这个原因,大多数国家设施要求证明在给予机器时间之前已经进行了充分的优化。一旦进入冷冻FIB-SEM,最大限度地提高有机铂涂层的有效性对于产生均匀薄的薄片至关重要。最后,耐心和良好的样品处理是用户的必备技能,用户需要坐上多天,生产然后转移含有细腻薄片的网格。随着自动铣削策略47,48 的引入,这种情况可能会改变,但到目前为止,大多数工厂的整个铣削过程仍然主要是手动的。
虽然这项工作仅集中在 恶性疟原虫 裂殖质上,但这里介绍的方法可以很容易地修改,以优化其他细胞类型的网格制备和研磨。需要考虑的重要因素是应用于网格的细胞密度、网格类型(铜对某些细胞有毒)、碳膜中孔的大小和间距、印迹时间和印迹方法(单/双面、手动或自动)。此外,如果细胞在网格上生长(通常是带有孔状碳膜的金网格),则可以在印迹和冷冻之前通过光学显微镜检查汇合度。铣削策略取决于单元在网格上的沉积方式。对于疟疾感染的红细胞,网格基本上被一层完整的细胞覆盖,在某些区域更厚,在其他区域更薄。沿着这个梯度在一个区域的多个点进行铣削,其中冰厚度产生适合断层扫描尺寸的薄片。这种方法适用于较小的细胞,因为您可以通过多个细胞产生包含切片的薄片。对于较大的细胞或细胞团块,一个细胞或细胞团块可能产生一个薄片。
网格处理和样品转移仍然是该工作流程的主要挑战之一。由于破损或裂缝、遮挡生物学的帘子伪影、过度的表面污染以及 TEM 内的网格方向问题,薄片可能会丢失,需要额外的处理步骤来重新定位网格。损耗程度因日复一日、因电网而异,但随着时间的推移,通过实践和处理经验可以得到改善。在这项研究中,发现网格可以在自动加载器中多次小心地重新定向,而不会破坏薄片,这有时具有洗掉表面冰的好处。此工作流程的另一个主要限制是生成薄片所需的时间。由于生产缓慢,因此拥有适当优化的样品至关重要,以使铣削尽可能高效。
最近引入了许多对玻璃体生物样品的FIB研磨的适应。改变游戏规则的是,在cryoFIB-SEM腔室内实施低温冷却的提出工具,可以从高压冷冻样品中研磨更大的材料块。这些块可以连接到金属棒上,也可以在夹持器中拾取并移动到第二个样品位置,其中包含经过特殊修改的EM网格。然后可以用有机铂涂覆块并研磨以生成薄片。从高压冷冻材料中研磨薄片的能力意味着可以处理更大的细胞和组织,特别是通过相关荧光显微镜12靶向区域。最近对FIB铣削方法的其他调整包括通过楔形预铣削样品16,微流体冷冻固定49 和电子显微镜网格的光微图案化来减少窗帘伪影,以改善细胞分布50。此外,已经证明,铣削薄片两侧的微膨胀间隙可以减轻周围样品在达到最终厚度时的压缩51。这在铣削连续细胞层时可能特别有用,例如本研究中的样品,在最后的抛光步骤中有时会看到薄片弯曲。
电子显微镜的未来很可能是通过亚断层图平均法确定 原位 分子结构,而FIB铣削是一种重要的工具,有助于为这些类型的工作流程生产玻璃体生物样品。虽然FIB研磨在生物应用中仍处于起步阶段,但由于学术界和国家设施研究人员的辛勤工作,以及对开发cryoFIB-SEM技术以支持研究的商业投资,方法开发正在快速进行。
The authors have nothing to disclose.
这项研究全部或部分由威康信托基金会资助(212916/Z/18/Z)。出于开放获取的目的,作者已对本提交的任何作者接受的手稿版本申请了CC BY公共版权许可。
开发该方法的这个项目由医学研究委员会授予Helen R. Saibil,Roland A. Fleck和Michael J. Blackman的MR / P010288 / 1赠款资助。 恶性疟原虫 的培养物在弗朗西斯·克里克研究所(The Francis Crick Institute)培育,得到了迈克尔·J·布莱克曼(Michael J. Blackman)小组成员的支持。作者要感谢Ser Ying (Michele) Tan博士在薄血涂片中提供了化合物2和E64处理的裂殖子的图像。大多数薄片是在eBIC工作人员的支持下生产的,我们非常感谢在研究提案NT21004上获得Scios双光束cryoFIB-SEM。作者还感谢皇家学会行业奖学金计划 (INF\R2\202061) 在 CUI 内继续开发 FIB 铣削技术方面的支持。作者还要感谢Helen R. Saibil对本方法论文和监督该项目的有益讨论。
c-clips | Thermo Fisher Scientific | 1036171 | |
Clipping station | Thermo Fisher Scientific | n/a | Direct quote from Thermo |
Clipping station | Sub-angstrom | CSA-01 | |
Compound 2 | n/a | n/a | Synthesised by Dr Simon A. Osborne, LifeArc |
Cryo-FIB specific autogrid rims | Thermo Fisher Scientific | 1205101 | |
E64 | Sigma | E3132 | |
Emitech K100X glow discharge unit | Quorum | n/a | |
Gibco RPMI 1640 media | Thermo Fisher Scientific | 12633012 | Formulation used for culturing is custom made (REF 041-91762 A) and includes Albumax, glutamine, HEPES and hypoxanthine supplements |
Giemsa Stain | VWR International | 350864X | |
Glass slides | Thermo Fisher Scientific | 11562203 | |
Grid boxes | Sub-angstrom | PB | For clipped grids |
Grid boxes | Thermo Fisher Scientific | n/a | For clipped grids – direct quote from Thermo Fisher Scientific |
Grid boxes | Agar Scientific | AGG3727 | |
Home-made manual plunge freezing rig | n/a | n/a | With an insulated ethane pot (high-density foam) and liquid nitrogen bath (polystyrene) on a bench top in a containment facility. |
Human blood | n/a | n/a | UK National Blood and Transplant service |
JEOL 4700F Z JSM with a Leica VCT500 stage cooling system | JEOL | n/a | FIB-SEM |
Leica EM ACE600 with a VCT500 cryostage | Leica | n/a | sputter coater |
Leica EM ACE900 | Leica | n/a | e-beam rotary coater. In a humidity controlled room. |
Linkam cryo-stage for light microscope | Linkam | Model No. CMS196 | Cassettes for clipped and un-clipped grids. In a humidity controlled room. |
Methanol | Sigma | 179957 | |
Nikon Eclipse E200 light microscope | Nikon | n/a | with Linkam cryo-stage in a humidity controlled room. |
Percoll | VWR International | 17-0891-01 | Solution for percoll cushion is 35 ml 10x PBS, 150 ml RPMI 1640 media and 315 ml Percoll |
Quantifoil copper 200 mesh 2/4 holey carbon EM Finder grids | Quantifoil | N1-C17nCuH2-01 | 100 pack |
Quantifoil copper 200 mesh 2/4 holey carbon EM grids | Quantifoil | N1-C17nCu20-01 | 100 pack |
Quorum PP3010 prep-chamber | Quorum | n/a | sputter coater |
Scios dual beam equipped with a Quorum PP3010 transfer stage. | FEI | n/a | FIB-SEM |
Staedtler Lumocolor fine black permanent marker pen | Viking Direct | ND538522 | |
TFS Titan Krios 300 kV TEM | Thermo Fisher Scientific | n/a | TEM equipped with a K2 or K3 camera. |
Whatmann grade 1 filter paper | Sigma | WHA1001150 | |
Zeiss Axio Scope A1 light microscope | Zeiss | n/a | with Linkam cryo-stage in a humidity controlled room. |