This project was supported by grants NIH NIGMS 8P41 GM103540-28 and P50-GM076516

1. Preparación de muestras <ol><li> Mantener células CHOK1 en matraces de cultivo de tejido utilizando DMEM suplementado con suero bovino fetal al 10% y 100 UI / ml de penicilina 50 g / ml de estreptomicina. Se incuban las células en una incubadora humidificado 5% de CO 2 a 37 ° C. </li><li> Cosecha y luego placa células CHOK1 sobre un diámetro micro-bien 14 mm con un espesor de 0,16 mm superficie. Se siembran las células de la densidad óptima para la imagen, en torno al 60-70% de confluencia. </li><li> Se incuban las células durante la noche a 37 ° C, 5% de CO 2. Lavar las células tres veces en HBSS (Hank Buffered Saline Solution), e incubar las células en una solución que contiene 50 nM de DND26 Lysotracker verde y 150 nM de verde rastreador de la tubulina. Se incuban las células durante 1 hora a 37 ° C. Paso opcional: Antes de la incubación, realizar una tinción adicional con un colorante de tinción de la matriz mitocondrial (25 nM). </li><li> Lavar las células tres veces en HBSS para eliminar cualquier colorante no unido. Añadir medio de cultivo DMEM fresco antes de la imagción de las células. </li></ol> 2. Microscopio Configuraciones El microscopio para el rastreo de partículas se describe en el protocolo de vídeo está montado en el bastidor de un microscopio invertido comercialmente disponible (Figura 4). Sin embargo módulos comerciales para el rastreo de partículas orbital 3D ya están disponibles. <ol><li> Use un II coherente Camaleón-Ultra Ti: Sa femtosegundo fuente de luz de excitación láser, con una longitud de onda sintonizable rango de salida entre 690 nm-1040 nm. </li><li> Asegúrese de que el rayo láser está alineado en el puerto trasero del microscopio utilizando espejos IR-revestido. El rayo láser se atenúa usando una placa de media onda giratoria seguido por un polarizador lineal calcita. Atenuar el haz de manera que la potencia media en la muestra es entre 0.5 y 2 mW. NOTA: El rayo láser se refleja por un par de espejos accionados por motor galvanómetro que permiten el control de la posición y trayectoria del haz enfocado en el plano de la muestra. En unaconfiguración típica del haz de láser colimado que sale de los espejos de galvanómetro se expande (10X) que pasa a través de un expansor de haz, antes de entrar en la parte trasera del objetivo del microscopio después de la reflexión en espejo dicroico pase corto. </li><li> Recoger la luz de fluorescencia de la muestra mediante la colocación de un objetivo de alta abertura numérica agua (60X, NA 1.2) en la trayectoria de la luz. Elegir un cubo de filtro de fluorescencia de acuerdo con las longitudes de onda de emisión deseados en uno o dos de configuración de canal. Emplear filtros de paso de banda de emisión para seleccionar aún más la gama espectral de la fluorescencia emitida. </li><li> Colocar la muestra en una platina motorizada, y ajustar la multa movimiento del objetivo del microscopio utilizando un piezo-controlador objetivo. </li><li> Dirija la luz del cubo de filtro en tubos fotomultiplicadores donde se discrimina la señal y la envía a un I / O tarjeta de adquisición de datos digital. NOTA: El ordenador genera formas de onda son la salida analógica de la tarjeta de E / S y son Provided a los escáneres de control de la electrónica. La entrada de conteo de fotones de los fotomultiplicadores y la señal de salida a los escáneres se mide y se controla a través de la tarjeta de E / S por el Laboratorio de software de fluorescencia Dynamics SimFCS. </li></ol> 3. Imaging <ol><li> Coloque las células en el escenario y enfocar con iluminación de luz transmitida. </li><li> Cambiar a formación de imágenes de exploración de trama para identificar las células que han incorporado el colorante y para visualizar los microtúbulos subyacentes. Identificar la zona inicial donde el movimiento de la vesícula está presente. </li><li> Una vez que una vesícula aislado se identificó, establecer los siguientes parámetros para el seguimiento orbital: <ol><li> Seleccione el radio de la órbita para definir el tamaño de la exploración circular de acuerdo con el tamaño de la partícula siendo rastreado. Para un emisor de punto, establecer el radio de la órbita igual a la cintura de la función de dispersión del punto (PSF) de la viga de excitación para maximizar la sensibilidad y la respuesta. </li><li> Ajuste el axialdistanciarse para definir la distancia entre las dos órbitas que se realizan para localizar la posición de la partícula a lo largo de la dirección axial. Establezca la distancia axial a 1,5-3 veces la cintura PSF. </li><li> Definir el tiempo de permanencia en función del brillo de la partícula para establecer el tiempo dedicado a cada punto de la órbita, que también determinará el tipo de foto-blanqueo. Utilice un tiempo de espera entre 10 a 100 microsegundos. </li><li> Establecer el número de puntos en cada órbita a 64 o 128 para producir períodos orbitales en el orden de 4-32 ms y proporcionar una alta resolución temporal para determinar la posición de la partícula. </li></ol></li><li> Cambie la señal DC compensar envía a los espejos con el fin de centrar el haz sobre la partícula a través de la interfaz gráfica de usuario a través de una selección cursor en la imagen raster-escaneada. </li><li> Comience seguimiento al cambiar el modo de microscopio de raster de imágenes para la exploración orbital. </li><li> Active la recogida de opiniones y datos. </li></ol> 4. TrajectAnálisis ory <ol><li> Utilice el software para visualizar la fluorescencia recogida en cada punto a lo largo de la órbita y en cada punto en la forma de una &quot;alfombra intensidad&quot; tiempo. La intensidad de recogida a lo largo de la alfombra proporciona información sobre la interacción de la partícula con otros objetos brillantes. Utilice el software para visualizar tanto la información de trayectoria (es decir, el desplazamiento de CC en el tiempo de la x, y y los escáneres de la -piezo z), así como la intensidad de fluorescencia obtenida de la tubo fotomultiplicador con el tiempo en forma de series de tiempo. </li><li> Utilice la representación de series de tiempo y la información &#39;alfombra intensidad &quot;para seleccionar sólo una región de interés en la trayectoria. </li><li> Utilice el software para mostrar una proyección 2D de la parte seleccionada de la trayectoria de la partícula. Seleccione los controles apropiados para el código de color de acuerdo a la trayectoria de la intensidad de fluorescencia de las partículas. </li><li> Seleccione la opción para mostrar la partículo trayectoria en 3D, y código de color de acuerdo a la intensidad de fluorescencia. Girar la trayectoria en 3D utilizando los controles para visualizar las características del movimiento lisosoma a lo largo de los microtúbulos. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

A pesar de los enormes progresos de las técnicas de microscopía de fluorescencia y instrumentaciones de los últimos años, logrando trayectorias de las partículas fluorescentes en tres dimensiones con una alta resolución temporal se ha mantenido un reto en el campo. Si de alta resolución temporal se ha logrado partículas de rastreo en dos dimensiones, la extensión a la dirección axial típicamente trae una drástica reducción en la respuesta de frecuencia del sistema 10. En este video-protocolo nos centramos en la aplicación demostrativa de seguimiento de una partícula individual en tres dimensiones dentro de una célula viva con una alta resolución temporal (32 ms en este experimento) utilizando un microscopio de dos fotones. La configuración necesaria para llevar a cabo un experimento de este tipo es normalmente disponible para los laboratorios que realizan la microscopia de escaneo láser. Ambos instrumentos complementos para el seguimiento de la órbita 3D, así como el software de control están disponibles en el mercado, para commerciamicroscopios de barrido l láser tales como los fabricados por Olympus. El uso de una fuente de láser de alta potencia infrarroja pulsada, cuando estén disponibles, es ventajoso en el diseño de la configuración experimental, ya que no requiere de escaneado DE de la fluorescencia emitida. Además se ha demostrado en el pasado que la irradiación infrarroja es más benigna hacia la celda, en condiciones específicas 11, dada la reducción de la fluorescencia de enfoque y foto-blanqueo. Aunque el seguimiento rápido de una partícula fluorescente en dos dimensiones se puede realizar utilizando una cámara sensible, la falta de información en tres dimensiones puede ser a menudo limitante en la interpretación del significado de la información biofísica trayectoria. Por ejemplo, las vesículas se mueven a lo largo de los microtúbulos con frecuencia chocan con las regiones microtúbulos intersección 8,12. En esta situación, el uso de una técnica de seguimiento 3D supera el límite de la utilización de proyecciones 2D de una estructura 3D. Debido al tiempo de respuesta de nuestro dispositivo piezoeléctrico nanopositioner objetivo, el período del movimiento en el eje z se limita a aproximadamente 30 ms, mientras que en la direcciones x, que pueden bajar a unos pocos milisegundos. La precisión de localización del método de escalas como la relación señal a ruido de 4,5. La única limitación aparente del método, es decir, la pérdida de una visión global del entorno de la partícula, es compensado por la posibilidad de reconstruir una alfombra intensidad temporal 13, trazando la historia de las interacciones de la partícula fluorescente con fuentes fluorescentes vecinos, se presentan ya sea la misma o una emisión espectral diferente. Se demuestra que el movimiento de los lisosomas, vesículas que se someten a movimiento a lo largo de los microtúbulos dirigidos, alimentada por kinesins o dyneins, se puede seguir dentro de una célula viva después de la tinción utilizando un colorante disponible en el mercado. Recientemente, el seguimiento de los lisosomas 2D era correufórico a la formación de imágenes de super-resolución de la red de microtúbulos, en el esfuerzo de detectar las rutas que llevan a las vesículas-microtúbulos microtúbulos intersecciones 8. Trayectorias 3D de los lisosomas muestran un comportamiento más complejo que el movimiento unidireccional. Aunque un promedio dirige el movimiento se puede observar, flexión, torsión y posibles rotaciones a lo largo de los túbulos pueden ser observados a partir de estas trayectorias. Hemos identificado dos pasos críticos en la realización de estos experimentos: en primer lugar, es necesario para conseguir una densidad etiquetado de los lisosomas que es al mismo tiempo lo suficientemente alto para obtener partículas brillantes manchadas, y que al mismo tiempo proporciona una densidad de partículas de baja suficiente para permitir el seguimiento de las partículas individuales. En el caso de dos partículas de cruce, el microscopio puede cambiar de una partícula a otra mientras que el seguimiento. El segundo paso crítico se refiere a la elección del tiempo de permanencia de píxel, lo que permite un equilibrio razonable seainterpolar alta relación señal a ruido y la velocidad de seguimiento. Hemos observado que la velocidad de seguimiento en el orden de 32 ms por ciclo de seguimiento son típicamente suficiente para seguir los lisosomas sometidos a movimiento rápido dirigido a velocidades inferiores a 1 m / seg. En resumen, el seguimiento orbital permite medir en tres dimensiones y con una resolución temporal de &lt;40 mseg, el movimiento intracelular de vesículas marcados con fluorescencia. El seguimiento orbital 3D tiene el potencial para ser empleado en el futuro para el estudio de diferentes procesos celulares altamente dinámicos tales nosotros el estudio de la dinámica de la cromatina en tiempo real-de transcripción y de difusión de las nanopartículas plasmónica en el medio intracelular.

Un gran número de enfoques han sido desarrollados hasta la fecha para realizar un seguimiento de partículas fluorescentes en tres dimensiones usando un microscopio. La mayoría de los enfoques se basan en el uso de cámaras rápidas, ideal para realizar un seguimiento en dos dimensiones, por lo general combinados con modificaciones personalizadas de la óptica de emisión del microscopio para lograr el seguimiento en la dirección axial. Microscopios de barrido láser confocal (ya sea o dos fotones) convencionalmente puede rastrear una partícula fluorescente mediante la realización de una secuencia temporal de z-pilas, aunque este proceso es típicamente mucho tiempo, y produce resolución de tiempo razonable (10 Hz) sólo si la partícula está realizando un seguimiento es mantenido en el centro de una pequeña región de formación de imágenes de trama por un mecanismo de retroalimentación activo 2. La idea de quedarse atrapado en la partícula es la base del método de seguimiento orbital. En lugar de una trama escanear una órbita circular que se realiza alrededor de la partícula fluorescente. La intensidad de la fluorescencia a lo largola órbita localiza con precisión la posición de la partícula 4. La posición localizada de la partícula puede entonces ser utilizada para accionar los escáneres de microscopio y re-centro de la órbita en la posición de la partícula. Los escáneres galvanómetro del microscopio son impulsados ​​por una tensión analógica. El componente de AC de este voltaje permite realizar una órbita con el haz de láser enfocado, es decir, un seno y una onda de coseno aplicado a los espejos de exploración X e Y permitirá la realización de una órbita circular. El desplazamiento de la señal de DC facilita el cambio de la posición del centro de la órbita. Una vez que un período de órbita y se determina la forma de onda para la señal de CA está configurado, el sistema de retroalimentación necesita actualizar sólo el componente DC de la señal. Un software capaz de leer la señal fluorescente obtenida de los detectores se requiere para el control de los escáneres y los detectores, para calcular la posición de la partícula y actualizar el DC fueraestablecer. Para una evaluación exitosa imágenes de una cuidadosa selección de los parámetros de órbita (tamaño y calendario) que se requiere y estos parámetros tienen que ser ajustado en base a las características de las partículas fluorescentes que es necesario realizar un seguimiento. Los fundamentos físicos y matemáticos de la técnica se han descrito en el pasado de 4,5 tanto para aplicaciones 2D y 3D. En este protocolo se describen brevemente los principales componentes de hardware de la configuración, y con más detalle la elección de los parámetros y de la preparación de la muestra necesario para un experimento típico permitiéndonos tras el desplazamiento de un lisosoma en una alta resolución temporal dentro de una célula viva.

<table><tbody><tr><td>Lysotracker DND 26</td><td>Life Technologies</td><td>L-7526</td><td></td></tr><tr><td>Tubuline tracker Green</td><td>Life Technologies</td><td>T34075</td><td></td></tr><tr><td>Mitotracker RED</td><td>Life Technologies</td><td>M7512</td><td></td></tr><tr><td>Coherent Chamelon- ultra II TI</td><td>Coherent</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Glan Taylor Calcite Polarizer</td><td>Melles Griot</td><td>03PTA001</td><td></td></tr><tr><td>Galvanometer-motor mirror</td><td>Cambridge Technologies</td><td>M 6350</td><td></td></tr><tr><td>Dichroic mirror</td><td>Chroma Technologies</td><td>700 DCSPXR</td><td></td></tr><tr><td>Motorized stage</td><td>ASI</td><td>MS2000</td><td></td></tr><tr><td>Piezo&amp;nbsp;</td><td>PI</td><td>P721-LLQ</td><td></td></tr><tr><td>Photomultiplier tube</td><td>Hamamatsu</td><td>H7422P-40</td><td></td></tr><tr><td>Data acquisition card</td><td>IO tech</td><td>PCI 1128-4000</td><td></td></tr><tr><td>Imaging software</td><td>LFD</td><td>Global for images-SimFCS</td><td></td></tr></tbody></table>

3d orbital tracking in a modified two-photon microscope: an application to the tracking of intracellular vesicles

El objetivo de este protocolo de vídeo es discutir cómo realizar y analizar un tridimensional fluorescente orbital experimento de rastreo de partículas usando un microscopio de dos fotones modificado 1. A diferencia de los enfoques convencionales de exploración de trama (o campo amplio basado en una pila de marcos), el seguimiento orbital 3D permite localizar y seguir con una alta resolución espacial (10 exactitud nm) y la resolución temporal (respuesta de frecuencia 50 Hz) el desplazamiento de 3D una partícula fluorescente pasar longitud escalas de cientos de micras 2. El método se basa en un algoritmo de realimentación que controla el hardware de una de dos fotones microscopio de barrido láser con el fin de realizar una órbita circular alrededor del objeto a ser rastreados: el mecanismo de retroalimentación mantendrá el objeto fluorescente en el centro mediante el control del desplazamiento de el haz de exploración 3-5. Para demostrar las ventajas de esta técnica, hemos seguido un orgánulo de movimiento rápido, el lisosoma, dentro de alcelular iving 6,7. Las células se cultivaron de acuerdo a protocolos estándar, y se tiñeron usando un colorante comercialmente lisosoma. Se discute brevemente la configuración de hardware y con más detalle el software de control, para llevar a cabo un experimento de seguimiento orbital 3D dentro de las células vivas. Se discuten en detalle los parámetros requeridos con el fin de controlar el microscopio de exploración y permitir el movimiento de la viga en una órbita cerrada alrededor de la partícula. Concluimos demostrando cómo este método puede ser usado efectivamente para seguir el movimiento rápido de un lisosoma marcado a lo largo de los microtúbulos en 3D dentro de una célula viva. Los lisosomas pueden moverse con velocidades en el intervalo de 0,4-0,5 m / seg, típicamente presentan un movimiento dirigido a lo largo de la red de microtúbulos 8.

De acuerdo con este protocolo de seguimiento de una sola partícula 3D rápido puede llevar a cabo dentro de las células vivas con un microscopio de dos fotones modificado para seguir el desplazamiento de los lisosomas marcados con fluorescencia. El experimento llevado a cabo consiste en el seguimiento de un lisosoma aislado en movimiento dentro de la célula después del proceso de maduración endosoma 9. Los lisosomas se tiñeron utilizando un tinte verde fluorescente y se excita a 930 nm de excitación que explotan 2 fotones. Nuestros datos muestran que es posible obtener x, y, z trayectorias de desplazamiento con una resolución temporal de 32 mseg (Figura 1a). El análisis alfombra muestra la intensidad registrada a lo largo de cada órbita con el tiempo (Figura 1b). Durante el seguimiento de la intensidad integrada de la fluorescencia emitida se puede grabar (Figura 2a). La trayectoria 3D reconstruida muestra un movimiento dirigido, como se puede esperar de una vesícula en movimiento en la red de microtúbulos. Adicionalmente, es posible correlacionar la trayectoria 3D una imagen de exploración de trama de la región (Figura 2b) que rodea a. Esto confirma el movimiento de la partícula a lo largo de la dirección de un haz de microtúbulos. Las células se tiñeron adicionalmente con un marcador rojo para las mitocondrias para grabar eventual interacción de la vesícula con estos orgánulos durante su movimiento. Es posible correlacionar la trayectoria 3D de la partícula dentro de la célula (Figura 3a) a la alfombra intensidad registrada de la emisión de fluorescencia MitoTracker (Figura 3b). Esto nos permite registrar las interacciones de proximidad de la vesícula con la red mitocondrial en función de su posición dentro de la célula. El pico de emisión registrados en el &quot;canal de las mitocondrias&quot; no da información funcional sobre la forma en que los orgánulos interactúan. Puede proporcionar sólo información sobre el momento de su interaccióny la posición espacial relativa del objeto fluorescente con respecto a la partícula siendo rastreado. Esta posición relativa se extrae desde el ángulo dentro de la órbita donde se registra el pico de emisión. Una representación esquemática del microscopio se utilizó para llevar a cabo este experimento se puede observar en la Figura 4. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/51794/51794fig1highres.jpg" /> Figura 1. Desplazamiento vs trayectorias de tiempo y alfombra intensidad. a) x, y y z desplazamiento lisosoma vs. trazas de tiempo. b) La trayectoria intensidad (es decir, la intensidad de recogida a lo largo de cada eje vertical órbita circular es el tiempo) proporciona información sobre el entorno de fluorescencia de la partícula. Los puntos brillantes fuera de la caja corresponden a las interacciones de la partícula con otros objetos brillantes, y se asocian a saltos en la trayectoria como ª<html> e órbitas vuelve a centrar en la fuente de fluorescencia más brillante. La región de caja corresponde a la porción de la trayectoria entre dos saltos. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/51794/51794fig2highres.jpg" /> Figura 2. Siguiendo la trayectoria 3D de un lisosoma. a) reconstrucción en 3D de una parte de la trayectoria de un lisosoma recogió mediante rastreo de partículas. La trayectoria es un código de color para la intensidad de la fluorescencia obtenida de la partícula (rojo, alto, azul, bajo recuento de fotones). Escalas de los ejes están en nm. Tenga en cuenta que x, y, z ejes tienen diferentes rangos. Proyección b) 2D de la trayectoria 3D, que muestra una superposición de la trayectoria en la parte superior de los microtúbulos fotografiado en una trama inmediatamente después de escanear Se recogió la trayectoria. C) Las mitocondrias teñidas con MitoTracker . re 3 &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 51794 / 51794fig3highres.jpg &quot;/&gt; Figura 3. Extendiendo el seguimiento orbital a más de un canal (excitación a 930 nm). a) trayectoria 3D de un lisosoma dentro de la célula. b) alfombra intensidad en el canal verde (la fluorescencia recogida en este canal se utiliza para el seguimiento). c) Intensidad de la alfombra en el canal rojo, donde las mitocondrias se tiñeron con una matriz fluorescente de color rojo colorante objetivo. Las regiones en las que la trayectoria entra en contacto con las mitocondrias (puntas de flecha) aparecen como protuberancias de intensidad en la alfombra, como el haz en órbita alrededor de la lisosoma se cruza en la matriz mitocondrial. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/51794/51794fig4highres.jpg" /> Figura 4. Esquema del montaje experimental: modificado microscopio de dos fotones. Representación esquemática del láser configuración: a 2-Fotón Ti: Sa láser con un rango 690-1,040 nm nosotros eraed, un polarizador y una placa de onda media se utilizan para controlar la potencia de excitación. Todos los demás elementos se enumeran en la figura utilizando las abreviaturas indicadas. Se utilizó un objetivo de 60X con una NA de 1,2.

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3D Orbital Tracking in a Modified Two-photon Microscope: An Application to the Tracking of Intracellular Vesicles

In this video protocol we track - at high speed and in three dimensions - fluorescently labeled lysosomes within living cells, using the orbital tracking method in a modified two-photon microscope.

Rastreo Orbital 3D en un microscopio de dos fotones Modificado: una aplicación para el Seguimiento de vesículas intracelulares

The objective of this video protocol is to discuss how to perform and analyze a three-dimensional fluorescent orbital particle tracking experiment using a ...

3d-orbital-tracking-modified-two-photon-microscope-an-application-to

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

10.2K vistas.  University of California, Irvine. In this video protocol we track - at high speed and in three dimensions - fluorescently labeled lysosomes within living cells, using the orbital tracking method in a modified two-photon microscope. 

Video: 3D Orbital Tracking in a Modified Two-photon Microscope: An Application to the Tracking of Intracellular Vesicles

Visualization of Endosome Dynamics in Living Nerve Terminals with Four-dimensional Fluorescence Imaging

Four-dimensional (4D) light imaging has been used to study behavior of small structures within motor nerve terminals of the thin transversus abdominis muscle of the garter snake. Raw data comprises time-lapse sequences of 3D z-stacks. Each stack contains 4-20 images acquired with epifluorescence optics at focal planes separated by 400-1,500 nm. Steps in the acquisition of image stacks, such as adjustment of focus, switching of excitation wavelengths, and operation of the digital camera, are automated as much as possible to maximize image rate and minimize tissue damage from light exposure. After acquisition, a set of image stacks is deconvolved to improve spatial resolution, converted to the desired 3D format, and used to create a 4D "movie" that is suitable for variety of computer-based analyses, depending upon the experimental data sought. One application is study of the dynamic behavior of two classes of endosomes found in nerve terminals-macroendosomes (MEs) and acidic endosomes (AEs)-whose sizes (200-800 nm for both types) are at or near the diffraction limit. Access to 3D information at each time point provides several advantages over conventional time-lapse imaging. In particular, size and velocity of movement of structures can be quantified over time without loss of sharp focus. Examples of data from 4D imaging reveal that MEs approach the plasma membrane and disappear, suggesting that they are exocytosed rather than simply moving vertically away from a single plane of focus. Also revealed is putative fusion of MEs and AEs, by visualization of overlap between the two dye-containing structures as viewed in each three orthogonal projections.

Four-dimensional (4D) imaging is utilized to study the behavior and interactions among two types of endosomes in living vertebrate nerve terminals. Movement of these small structures is characterized in three dimensions, permitting confirmation of events such as endosome fusion and exocytosis.

Visualización de la Dinámica en Endosoma Vivir terminaciones nerviosas con imágenes de fluorescencia en cuatro dimensiones

Four-dimensional (4D) light imaging has been used to study behavior of small structures within motor nerve terminals of the thin transversus abdominis ...

Investigación

Neurociencias

Visualizing Cytoskeleton-Dependent Trafficking of Lipid-Containing Organelles in Drosophila Embryos

Early Drosophila embryos are large cells containing a vast array of conventional and embryo-specific organelles. During the first three hours of embryogenesis, these organelles undergo dramatic movements powered by actin-based cytoplasmic streaming and motor-driven trafficking along microtubules. The development of a multitude of small, organelle-specific fluorescent probes (FPs) makes it possible to visualize a wide range of different lipid-containing structures in any genotype, allowing live imaging without requiring a genetically encoded fluorophore. This protocol shows how to inject vital dyes and molecular probes into Drosophila embryos to monitor the trafficking of specific organelles by live imaging. This approach is demonstrated by labeling lipid droplets (LDs) and following their bulk movement by particle image velocimetry (PIV). This protocol provides a strategy amenable to the study of other organelles, including lysosomes, mitochondria, yolk vesicles, and the ER, and for tracking the motion of individual LDs along microtubules. Using commercially available dyes brings the benefits of separation into the violet/blue and far-red regions of the spectrum. By multiplex co-labeling of organelles and/or cytoskeletal elements via microinjection, all the genetic resources in Drosophila are available for trafficking studies without the need to introduce fluorescently tagged proteins. Unlike genetically encoded fluorophores, which have low quantum yields and bleach easily, many of the available dyes allow for rapid and simultaneous capture of several channels with high photon yields.

Visualizing Cytoskeleton-Dependent Trafficking of Lipid-Containing Organelles in Drosophila Embryos

In the early Drosophila embryo, many organelles are motile. In principle, they can be imaged live via specific fluorescent probes, but the eggshell prevents direct application to the embryo. This protocol describes how to introduce such probes via microinjection, and then analyze bulk organelle motion via particle image velocimetry.

Visualización del tráfico dependiente de citoesqueletos de orgánulos que contienen lípidos en embriones de Drosophila

Early Drosophila embryos are large cells containing a vast array of conventional and embryo-specific organelles. During the first three hours of ...

Biología del Desarrollo

A Protocol for Real-time 3D Single Particle Tracking

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although various RT-3D-SPT methods have been put forward in recent years, tracking high speed 3D diffusing particles at low photon count rates remains a challenge. Moreover, RT-3D-SPT setups are generally complex and difficult to implement, limiting their widespread application to biological problems. This protocol presents a RT-3D-SPT system named 3D Dynamic Photon Localization Tracking (3D-DyPLoT), which can track particles with high diffusive speed (up to 20 &#181;m2/s) at low photon count rates (down to 10 kHz). 3D-DyPLoT employs a 2D electro-optic deflector (2D-EOD) and a tunable acoustic gradient (TAG) lens to drive a single focused laser spot dynamically in 3D. Combined with an optimized position estimation algorithm, 3D-DyPLoT can lock onto single particles with high tracking speed and high localization precision. Owing to the single excitation and single detection path layout, 3D-DyPLoT is robust and easy to set up. This protocol discusses how to build 3D-DyPLoT step by step. First, the optical layout is described. Next, the system is calibrated and optimized by raster scanning a 190 nm fluorescent bead with the piezoelectric nanopositioner. Finally, to demonstrate real-time 3D tracking ability, 110 nm fluorescent beads are tracked in water.

This protocol details the construction and operation of a real-time 3D single particle tracking microscope capable of tracking nanoscale fluorescent probes at high diffusive speeds and low photon count rates.

Un protocolo para el seguimiento en tiempo real 3D sola partícula

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although ...

Bioingeniería

Quantification of Endosome and Lysosome Motilities in Cultured Neurons Using Fluorescent Probes

In the brain, membrane trafficking systems play important roles in regulating neuronal functions, such as neuronal morphology, synaptic plasticity, survival, and glial communications. To date, numerous studies have reported that defects in these systems cause various neuronal diseases. Thus, understanding the mechanisms underlying vesicle dynamics may provide influential clues that could aid in the treatment of several neuronal disorders. Here, we describe a method for quantifying vesicle motilities, such as motility distance and rate of movement, using a software plug-in for the ImageJ platform. To obtain images for quantification, we labeled neuronal endosome-lysosome structures with EGFP-tagged vesicle marker proteins and observed the movement of vesicles using a time-lapse microscopy. This method is highly useful and simplify measuring vesicle motility in neurites, such as axons and dendrites, as well as in the soma of both neurons and glial cells. Furthermore, this method can be applied to other cell lines, such as fibroblasts and endothelial cells. This approach could provide a valuable advancement of our understanding of membrane trafficking.

The investigation of membrane trafficking is crucial for understanding neuronal functions. Here, we introduce a method for quantifying vesicle motility in neurons. This is a convenient method that can be adapted to the quantification of membrane trafficking in the nervous system.

Cuantificación de endosomas y de las motilidades de los lisosomas en neuronas cultivadas utilizando sondas fluorescentes

In the brain, membrane trafficking systems play important roles in regulating neuronal functions, such as neuronal morphology, synaptic plasticity, ...

In Vivo Single-Molecule Tracking at the Drosophila Presynaptic Motor Nerve Terminal

An increasing number of super-resolution microscopy techniques are helping to uncover the mechanisms that govern the nanoscale cellular world. Single-molecule imaging is gaining momentum as it provides exceptional access to the visualization of individual molecules in living cells. Here, we describe a technique that we developed to perform single-particle tracking photo-activated localization microscopy (sptPALM) in Drosophila larvae. Synaptic communication relies on key presynaptic proteins that act by docking, priming, and promoting the fusion of neurotransmitter-containing vesicles with the plasma membrane. A range of protein-protein and protein-lipid interactions tightly regulates these processes and the presynaptic proteins therefore exhibit changes in mobility associated with each of these key events. Investigating how mobility of these proteins correlates with their physiological function in an intact live animal is essential to understanding their precise mechanism of action. Extracting protein mobility with high resolution in vivo requires overcoming limitations such as optical transparency, accessibility, and penetration depth. We describe how photoconvertible fluorescent proteins tagged to the presynaptic protein Syntaxin-1A can be visualized via slight oblique illumination and tracked at the motor nerve terminal or along the motor neuron axon of the third instar Drosophila larva.

In Vivo Single-Molecule Tracking at the Drosophila Presynaptic Motor Nerve Terminal

Here we illustrate how single molecule photo-activated localization microscopy can be carried out on the motor nerve terminal of a live Drosophila melanogaster third instar larva.

En Vivo Una sola molécula de seguimiento en la Terminal presináptica del nervio Motor del Drosophila

An increasing number of super-resolution microscopy techniques are helping to uncover the mechanisms that govern the nanoscale cellular world. ...

3D Particle Tracking for Noninvasive In Vivo Analysis of Synaptic Microtubule Dynamics in Dendrites and Neuromuscular Junctions of Drosophila

Microtubules (MTs) play critical roles in neuronal development, but many questions remain about the molecular mechanisms of their regulation and function. Furthermore, despite progress in understanding postsynaptic MTs, much less is known about the contributions of presynaptic MTs to neuronal morphogenesis. In particular, studies of in vivo MT dynamics in Drosophila sensory dendrites yielded significant insights into polymer-level behavior. However, the technical and analytical challenges associated with live imaging of the fly neuromuscular junction (NMJ) have limited comparable studies of presynaptic MT dynamics. Moreover, while there are many highly effective software strategies for automated analysis of MT dynamics in vitro and ex vivo, in vivo data often necessitate significant operator input or entirely manual analysis due to inherently inferior signal-to-noise ratio in images and complex cellular morphology. &#160;To address this, this study optimized a new software platform for automated and unbiased in vivo particle detection. Multiparametric analysis of live time-lapse confocal images of EB1-GFP labeled MTs was performed in both dendrites and the NMJ of Drosophila larvae and found striking differences in MT behaviors. MT dynamics were furthermore analyzed following knockdown of the MT-associated protein (MAP) dTACC, a key regulator of Drosophila synapse development, and identified statistically significant changes in MT dynamics compared to wild type. These results demonstrate that this novel strategy for the automated multiparametric analysis of both pre- and postsynaptic MT dynamics at the polymer-level significantly reduces human-in-the-loop criteria. The study furthermore shows the utility of this method in detecting distinct MT behaviors upon dTACC-knockdown, indicating a possible future application for functional screens of factors that regulate MT dynamics in vivo. Future applications of this method may also focus on elucidating cell type and/or compartment-specific MT behaviors, and multicolor correlative imaging of EB1-GFP with other cellular and subcellular markers of interest.&#160;

This study presents a noninvasive intravital neuronal imaging strategy combined with a new software strategy to achieve automated, unbiased tracking and analysis of in vivo microtubule (MT) plus-end dynamics in the sensory dendrites and the neuromuscular junctions of Drosophila.

Microtubules (MTs) play critical roles in neuronal development, but many questions remain about the molecular mechanisms of their regulation and function. ...

Application of High-speed Super-resolution SPEED Microscopy in Live Primary Cilium

The primary cilium is a microtubule-based protrusion on the surface of many eukaryotic cells and contains a unique complement of proteins that function critically in cell motility and signaling. Since cilia are incapable of synthesizing their own protein, nearly 200 unique ciliary proteins need to be trafficked between the cytosol and primary cilia. However, it is still a technical challenge to map three-dimensional (3D) locations of transport pathways for these proteins in live primary cilia due to the limitations of currently existing techniques. To conquer the challenge, recently we have developed and employed a high-speed virtual 3D super-resolution microscopy, termed single-point edge-excitation sub-diffraction (SPEED) microscopy, to determine the 3D spatial location of transport pathways for both cytosolic and membrane proteins in primary cilia of live cells. In this article, we will demonstrate the detailed setup of SPEED microscopy, the preparation of cells expressing fluorescence-protein-labeled ciliary proteins, the real-time single-molecule tracking of individual proteins in live cilium and the achievement of 3D spatial probability density maps of transport routes for ciliary proteins.

Recently we mapped the three-dimensional (3D) spatial locations of transport routes for various proteins translocating inside primary cilia in live cells. Here this paper details the experimental setup, the process of biological samples and the data analyses for the 3D super-resolution fluorescence imaging approach newly applied in live primary cilia.

Aplicación de la microscopía de resolución súper alta velocidad velocidad en vivo cilio primario

The primary cilium is a microtubule-based protrusion on the surface of many eukaryotic cells and contains a unique complement of proteins that function ...

Biología

4D Microscopy of Yeast

The goal of this protocol is to characterize how membrane compartments form and transform in live cells of budding yeast. Many intracellular compartments in yeast are dynamic, and a full understanding of their properties requires time-lapse imaging. Multi-color 4D confocal fluorescence microscopy is a powerful method for tracking the behavior and composition of an intracellular compartment on a time scale of 5-15 min. Rigorous analysis of compartment dynamics requires the capture of thousands of optical sections. To achieve this aim, photobleaching and phototoxicity are minimized by scanning rapidly at very low laser power, and the pixel dimensions and Z-step intervals are set to the largest values that are compatible with sampling the image at full resolution. The resulting 4D data sets are noisy but can be smoothed by deconvolution. Even with high quality data, the analysis phase is challenging because intracellular structures are often numerous, heterogeneous, and mobile. To meet this need, custom ImageJ plugins were written to array 4D data on a computer screen, identify structures of interest, edit the data to isolate individual structures, quantify the fluorescence time courses, and make movies of the projected Z-stacks. 4D movies are particularly useful for distinguishing stable compartments from transient compartments that turn over by maturation. Such movies can also be used to characterize events such as compartment fusion, and to test the effects of specific mutations or other perturbations.

This protocol describes the analysis of fluorescently labeled intracellular compartments in budding yeast using multi-color 4D (time-lapse 3D) confocal microscopy. The imaging parameters are chosen to capture adequate signals while limiting photodamage. Custom ImageJ plugins allow labeled structures to be tracked and quantitatively analyzed.

Microscopía 4D de levadura

The goal of this protocol is to characterize how membrane compartments form and transform in live cells of budding yeast. Many intracellular compartments ...

Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy of Extracellular Vesicles in Three Dimensions

Extracellular vesicles (EVs) are released by all cell types and play an important role in cell signaling and homeostasis. The visualization of EVs often require indirect methods due to their small diameter (40-250 nm), which is beneath the diffraction limit of typical light microscopy. We have developed a super-resolution microscopy-based visualization of EVs to bypass the diffraction limit in both two and three dimensions. Using this approach, we can resolve the three-dimensional shape of EVs to within +/- 20 nm resolution on the XY-axis and +/- 50 nm resolution along the Z-axis. In conclusion, we propose that super-resolution microscopy be considered as a characterization method of EVs, including exosomes, as well as enveloped viruses.

Direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM) is used to bypass the typical diffraction limit of light microscopy and to view exosomes at the nanometer scale. It can be employed in both two and three dimensions to characterize exosomes.

Microscopía de reconstrucción óptica estocástica directa de vesículas extracelulares en tres dimensiones

Extracellular vesicles (EVs) are released by all cell types and play an important role in cell signaling and homeostasis. The visualization of EVs often ...

Visualization of Vesicle Motilities in Neurons Using Fluorescence Imaging

Source: Tsuruta, F., et al. <a href="https://app-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/v/55488">Quantification of Endosome and Lysosome Motilities in Cultured Neurons Using Fluorescent Probes.</a> J. Vis. Exp. (2017).
This video demonstrates how neuronal vesicles are labeled with specific fluorescent proteins to visualize their movement. First, a plasmid coding for a fluorescent protein is incubated with a transfection agent and then introduced into a culture of neurons. Subsequently, images of the neurons are acquired and analyzed to track the vesicles&#39; movement.

Visualización de las motilidades de las vesículas en las neuronas mediante imágenes de fluorescencia

1. Imaging Vesicle Motility

	Prepare the plasmids that will label each type of vesicle. For instance, use EGFP-Rab5 for early endosomes, EGFP-Rab7 for ...