מוצג כאן הוא פרוטוקול עבור תרבות התא על ממברנות הסיליקון ניטריד ו-לקפוא לפני לפני הדמיה רנטגן קרני הקרינה עם סינכרוטרון nanoprobe רנטגן הקריוגני. כאשר רק טמפרטורת החדר בניתוח ננו מסופק, הדגימות הקפואות יכול להיות נוסף מיובש להקפיא. אלה הם צעדים קריטיים כדי לקבל מידע על הרכב היסודות תאיים.
מעט מאוד ידוע על חלוקת יוני מתכת ברמה התת תאית. עם זאת, אלמנטים כימיים אלה יש פונקציות רגולטוריות חיוני הומאוסטזיס מופרע שלהם מעורב במחלות שונות. סינכרוטרון רנטגן של המדינה הארט nanoprobes לספק את הרגישות הנדרשת ואת הרזולוציה המרחבית כדי להבהיר את דו מימדי (2d) ו תלת מימדי (3d) הפצה וריכוז של מתכות בתוך תאים שלמים ב רמה ארגונית. זה פותח שדות מדעיים חדשים ומרגשים של חקירה על התפקיד של מתכות בphysiopathology של התא. ההכנה התאית היא מפתח ולעתים קרובות הליך מורכב, במיוחד לניתוח בסיסי. למרות שיטות הקרינה של X-ray נפוצים כעת, שיטות הכנה שונות שימשו, מחקרים מעטים מאוד חקרו את שימור התוכן הבסיסי של תאים בצורה הטובה ביותר, ולא פרוטוקול מפורט החורג של הקריופיקציה של תאים מחסיד עבור nanoprobes רנטגן הקרינה שוחרר עד כה. זהו תיאור של פרוטוקול המספק את ההכנה התאית החורגות עבור הקפאה מהירה כדי לאפשר סינכרוטרון X-ray פלואורסצנטית ננו ניתוח של תאים במצב רטוב קפוא כאשר סביבה קריוגניים והעברה זמין. במקרה ננו ניתוח צריך להתבצע בטמפרטורת החדר, הליך נוסף עבור הקפאת לייבש את ההכנה התאית קריוקבוע מסופק. הפרוטוקולים המוצעים השתמשו בהצלחה בעבודות קודמות, לאחרונה במחקר 2D ו-3D התפלגות תאיים של מתחם אורגנומתכתית בתאי סרטן השד.
החדש תוכנן סינכרוטרון רנטגן X-ray (SR-XRF) nanoprobes אפשר ויזואליזציה של התפלגות subcellular של אלמנטים בצורה כמותית מלאה. כדוגמה, יכולת אנליטית זו מאפשרת חקירה של ספיגת חלקיקים1 או אורגנומתכתית מולקולות כגון osmium מבוססי מתחמי2, מתן תובנה לספיגת תאיים של מולקולות מבוססות מתכת עם תכונות נוגדות סרטן חזקים. כטכניקה multielement, SR-XRF3 עם nanoprobe מספק דרך בו לכמת ולוקליזציה intracellularly האלמנטים החשובים ביותר ביולוגית, כולל זרחן, גופרית, אשלגן, סידן, ברזל, נחושת, אבץ. אכן, השימוש בקרני רנטגן קשים מספק עומק חדירה גדול לתמונה כולה מוקפא תאים בצורה ללא תווית. יתר על כן, מתן גישה K-edge של רוב האלמנטים של העניין, הזריחה רנטגן מתרגש ביותר ביעילות. השימוש בגישות קריוגני מאפשר הפחתת נזק לקרינה ואופטימיזציה של שימור מבנה התא והפצה אלמנטלים.
מרבית הטכניקות האנליטיות הזמינות ביותר לחקר מתכות בתאים הן טכניקות משטח הדורשות חלקים דקים מאוד ושטוחים של תאים להיות מיוצרים. זה כולל בעיקר סריקת הילוכים אלקטרון מיקרוסקופ עם אנרגיה-מפזרים רנטגן ניתוח (גזע-EDX), אנרגיה מסוננים שידור אלקטרון מיקרוסקופ אלקטרוני (EF-TEM), ו-בקנה מידה ננו המוני יון משני ספקטרומטריה (nanoSIMS). האחרון לא יכול להתבצע על קפוא, מקטעים תאים בתוך ההקפאה ניתן לעשות עם המיקרוסקופיה אלקטרונית עם רזולוציה מרחבית מתחרות אך רגישות היסודות העניים. פליטת החלקיקים המושרה רנטגן (PIXE) אפשרה לחקר הפצות היסודות בתאים שלמים. יש לו את היתרון של להיות כמותיים לחלוטין עם רגישות היסודות הוגן בסולם מיקרון ואפילו ברזולוציה יקרונים יקרון4, אבל סובל מנזקי קרינה וחוסר יכולות קריוגניים לחקור תאים קפואים. כל הטכניקות האנליטיות האלה משלימים אחד את השני בהדמיה היסודות של תאים, אבל לכל הטכניקות הליך ההכנה לדוגמה הוא צעד מכריע. זה צריך להישמר פשוט כדי להגביל את הזיהום האפשרי, כמו גם היסודות להפצה משמעותית ו/או דליפה כדי להשיג תוצאות משמעותיות. כפי שמתואר במיקרוסקופיה אלקטרונית, זרימת עבודה קריוגניים, כולל ההקפאה של התא ו קריוטרנספר לשלב הקריוסריקה, מאפשר שימור היסודות אופטימלית ברמות subcellular קרוב ככל האפשר למדינה מקורית5,6,7,8,9,10. הבנה זו יושמה בהצלחה לתוך הפיתוח של סינכרוטרון-מיקרוסקופ רנטגן רך-ray (למשל, מיקרוסקופים שדה מלא סריקת מיקרוסקופים) כדי לייצר הדמיה ultraקונסטרוקטיבי של תאים קפואים להתייבש כולו ב-2D או 3D. זרימות עבודה קריוגניים שונות פותחו11 עבור רנטגן רך מיקרוסקופים ב Beamline 2.1 (XM-2) של מקור אור מתקדם במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי12, beamline U41-XM בטבעת האחסון אלקטרון Bessy השני (גרמניה)13, beamline מיסטרל של מקור האור אלבה (ספרד)14, ו Beamline B24 של מקור אור יהלום15, בין היתר. זרימת עבודה דומה הוצגה לאחרונה להיות שיטת ההכנה והשימור האמינה ביותר עבור ניתוח היסודות תאיים באמצעות רנטגן מיקרורגשים16,17.
למרות nanoprobe רנטגן טכניקות מתחילות להיות בשימוש נרחב לניתוח היסודות הסלולר, במיוחד עם הופעתו של הקריוגניים SR-XRF יכולות, פרוטוקול חורג לא הופץ עד כה לקהילת המחקר. כאן, הליך מפורט מסופק כדי להכין את התאים האלה קריוקבוע שאינם מתורבתים כמו monolayers על ממברנות סיליקון ניטריד להיות מנותח בתנאים קריוגניים. במקרה של ניתוח רנטגן יש לבצע את הצעד לייבוש ההקפאה לאחר הפרוטוקול, במידה והבדיקה מבוצעת גם בטמפרטורת החדר. בעוד הפרוטוקול המוצע בשימוש בהצלחה עם תאים סרטן השד האנושי MD-MB-2312 ו-ההקפאה ייבוש הפגינו בין אחרים על נוירונים בעכבר18,20,21, זה יכול להיות מורחב בקלות סוגים שונים של תאים אנושיים או בעלי חיים.
מיקרוסקופ ההקפאה-אלקטרונים זכה בפרס נובל 2017 בכימיה וככזה הפיתוח של J. Dubochet על ויטריפיקציה של חומר ביולוגי לקביעת המבנה ברזולוציה גבוהה של biomolecules בפתרון25. כפי שדווח על-ידי Dubochet בהרצאה הנובל שלו “לדעת כיצד לחזק את ה-droplet של מים הוא דבר אחד, הכנת דוגמה ביולוגית להתבוננות ביולוגית היא עוד”25. הקפאה צעדים נחשבים כעת את הטכניקה הסטנדרטית כדי לרכך את הנזק למינון קרינה ותאי הלימוד קרוב מדינה מקורית שלהם. ההכנה נותרת מייגעת, עם זאת. הסיבה לכך היא מיקרוסקופ אלקטרוני, בשל הרזולוציה המרחבית מתחרות שלה, הוא רגיש לכל חפץ אולטרה מבנית המתרחשת במהלך ההכנה לדוגמה. סינכרוטרון cryonanoprobes הם כעת מתקרבים קשיים דומים יורדים לרזולוציות מרחבית נמוך כמו 13 ננומטר באנרגיה גבוהה רנטגן טווח26. מיקרוסקופ רנטגן קשיח יכול לנתח תאים שלמים בעוד המיקרוסקופיה אלקטרונית סובלת מעומק החדירה המסכן של אלקטרונים המאפשרים רק פרוסות תא דקות מאוד כדי להיות שנצפו.
מונאולאיירס של תאים הם דקים מספיק כך על ידי הקפאת לצלול ב ethane נוזלי, את שיעורי הצינון הנדרש עבור המים ויטריפיקציה מושגת. בתאוריה, שיעורי צינון גבוה כמו 108 K/s אפשריים באמצעות הלחץ הגבוה בהקפאה27 המאפשר ויטריפיקציה של דגימות עבה מדי לקפוא לצלול. שיעור קירור של 105 K/s, נדרש כדי לאפשר ויטריפיקציה מלא של המדגם בלחץ הסביבתי28, הוא הגיע לידי באמצעות מכונת ההקפאה האוטומטית לצלול ופרמטרים הציג כאן. הדבר מאפשר לחוקר לזייף דגימות ביולוגיות דקות (< 10 μm) כגון מונאולייר של תאים12,13,14,15,29,30 על ידי הקפאת לצלול באתאן הנוזלי.
אתגר חשוב עם פרוטוקול זה הוא גם לשמר ככל האפשר את השלמות הכימית של התוכן תאיים כדי לספק הפצות היסודות אמין בתוך התא 2D או 3D. כפי שפורסם במקום אחר2,16,17,31, במקרה של הדמיה היסודות ברמה subcellular, ניתוח של תאים קפואים מוקפאים צריך להיחשב. אחרת, ניתן להשתמש בשילוב של הקפאת לצלול וייבוש של תאים לניתוח טמפרטורת החדר. עבור האחרון, הקרח אמורפיות מוסר באמצעות תהליך סובלימציה, בעוד מולקולות המים מאוגד מוסרים באמצעות תהליך של desorption. תהליך זה עשוי להיות רחוק מאידיאל בהשוואה לדוגמיות שהוקפאו בשל השינוי האפשרי של הקרומים הסלולאריים והמבנה של כמה מבני subcellular32. כמו כן, ללימודי היווצרות המינים, הפקת המים עלולה להוביל לחפצי מין מתכתיים. עדיין, זה היה מוצלח ואת החלופה הטובה ביותר כדי קפוא דגימות בהתייבשות עבור הדמיה היסודות ב-sub-100 ננומטר רמות2,16,17,18,20,33,34,35,36.
כפי שדווחו37, האיכות של קריואופרסטית הסלולר ההכנות ניתן להעריך באמצעות אשלגן ל-נתרן היחס K/Na. למרבה הצער, זה עדיין לא יכול להיות נחוש עם רנטגן קשה nanoprobe משמש כאן, בשל האנרגיה הנמוכה לגזור של גלאי הסחף סיליקון השתמשו כדי לזהות את הפוטונים הזריחה של הרנטגן של האלמנטים (E ≥ 1.3 מגנזיום הקוו). אכן, יחס k/Na גבוה (> 10) כי ניתן למדוד באמצעות תוף-סימס, epma, או מיקרודיקה גרעינית pixe16,37 מעיד על שלמות כימית שנשמר של התא לעומת הצפוי K/Na של 25 בתא חי37. הדבר יכול להיות נתמך על ידי היחס הנמוך Cl/K38. עדיין, הויטריפיקציה לא מושלמים, במיוחד אם מהירות הצינון המדגם נמוכה מדי, עלולה להוביל להיווצרות גבישי קרח גדולים שעלולים להזיק לקרומים של תאים ולאורגלים, ובכך לשנות את התפלגות היסודות הכימיים. למרות שאין הליך שגרתי כדי לנטר את הנזק הפוטנציאלי וההשפעה על התפלגות תאיים, היחס הבסיסי לעיל ואת האפשרות לדמות את התא ברזולוציה גבוהה באמצעות x-ray בשלב הניגודיות או ההקפאה רך רנטגן מיקרוסקופ יכול להיות הגישות הטובות ביותר לתמוך שימור טוב של תאים תאיים עם שימור במקביל של ה השילוב של טכניקות אלה והשימוש של מיקרוסקופים אופטי החדש שפותחו מיקרוסקופ אופטיים יסייע להעריך מה במידה נזק זה מתרחש ומשפיע על התפלגות תאיים היסודות.
באופן כללי, פרוטוקול מפורט ומקיף להכנת דגימות סלולריות עבור סינכרוטרון X-ray פלואורסצנטית ננו מוצג. זוהי נקודת התחלה טובה לקהילת המחקר, עוזר לפתור את הסוגיה קשה של איך להכין דגימות תאים המתאים עבור 2D ו 3D הדמיה היסודות ב (ההקפאה) קשה רנטגן nanoprobes. ניתן למזג גישות אלה בעזרת קרינה אופטית ומיקרוסקופית אלקטרונים בעזרת יכולות מיקרוסקופ מעמיק והדמיה מבנית של תאים.
The authors have nothing to disclose.
הניסויים על הננו-הדמיה beamline ID16A בוצעו במסגרת של הצעות ESRF LS2430, LS2303, ו LS2765.
Ammonium Acetate solution, BioUltra, for molecular biology, ~5M in H2O | SIGMA | 09691-250mL | One can prepare the required solution from high-grade ammonium acetate powder and ultrapure water, pH and osmolarity needs to be adjusted anyway. |
B27 supplement, 50x | Life Technologies, Invitrogen | 17504-044 | for hippocampal neuron culture |
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline, DPBS, ([-] CaCl2, [-] MgCl2) | GIBCO | 14190-094 | cell culture |
DMEM with Phenol Red/Glutamax I (Medium ATCC modification) | GIBCO | 21885025 | cell culture |
Dulbecco’s modified Eagle medium (DMEM) | Life Technologies, Invitrogen | 31966-02 | for hippocampal neuron culture |
Dumont Tweezers #5, Straight Self-closing, 0.05×0.01mm Tips, Biology | World Precision Instrument | 501202 | |
Emitech K750X Peltier-Cooled EM Freeze Dryer | Quorum Technology | EK3147 | |
Ethane N45 | Air Liquid | p0505s05r0a001 | C2H6 > 99,995 % |
Fetal Bovine Serum, Performance Plus, certified One Shot format, US origin | GIBCO | A31604-02 | cell culture |
HBSS 10x | Life Technologies, Invitrogen | 14185-052 | for hippocampal neuron culture |
Leica GP quick-release forceps | Leica | 16706435 | |
MDA-MB-231 cell line, an epithelial, human adenocarcinoma breast cancer cell | ATCC | ATCC HTB-26 | cell culture |
Neurobasal medium | Life Technologies, Invitrogen | 21103-049 | for hippocampal neuron culture |
Nunc 4-Well Plate | Thermo Fisher | 176740 | cell culture |
Osmo1 Single-Sample Micro-Osmometer | Advanced Instruments | Osmo1 | Alternative can be found at Fisher scientific (Wescor Inc. VAPRO® Vapor Pressure Osmometer) |
Penicillin-Streptomycin | SIGMA | P4333 | cell culture |
poly-L-lysine | SIGMA | P4707 | Other type of coating can be used that is dependent of the cell type to be cultured on the membrane, other adhesion factors such as fibronectin, collagen, polyornithine can be tested accordingly. Cell can be cultured directly on silicon nitride membrane, but the latter are slightly hydrophobic and adhesion factors are recommended unless the membrane are processed to be hydrophilic (glow plasma discharged). |
Plunge freezing robot Leica EM GP main unit | Leica | 16706401 | Alternative for automated plunger are the Vitrobot Mark IV (FEI), CryoPlunge 3 (Gatan), MS-002 Rapid Immersion Freezer (EMS). Manual home-made system can be used but an environment-controlled chamber is an asset for plunge-freezing. |
Silicon nitride membrane (Si3N4) | Silson Ltd. | SiRN-5.0(o)-200-1.5-500-NoHCl | The proposed silicon nitride membrane type is optimised for analysis at ID16A ESRF X-ray nanoprobe, The 500 nm thickness of the membrane was chosen being more robust for cellular manipulation and cryofixation detailed within this protocol. Membrane with thickness of 200 nm or below can also be used although quite fragile, and other design of silicon nitride membrane can be purchased (for example TEM compatible membrane…) from Sislon or other company such as Norcada, SPI supplies, Ted Pella, EMS, LabTech, Neyco… |
Trypan blue solution 0.4% | GIBCO | 15250061 | cell culture |
Trypsin-EDTA, 0.05% | GIBCO | 25300-054 | cell culture |
Ultratrace Elemental Analysis Grade, Ultrapure Water | Fisher Chemicals | W9-1 | MilliQ water can be used but has to be tested for trace element level of contamination using for example ICP-MS analysis. |
Whatman No. 1 filter paper with precut hole | Leica | 16706440 | Alternative filter paper may be used and must have an outer diameter of 55 mm, the Punch for filter paper system from Leica (ref.16706443) can be used. |