Name: 3d orbital tracking in a modified two-photon microscope: an application to the tracking of intracellular vesicles
Uploaded: 2014-10-01T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 28 s
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This project was supported by grants NIH NIGMS 8P41 GM103540-28 and P50-GM076516

Preparação 1 Amostra <ol><li> Manter células CHOK1 em frascos de cultura de tecidos, utilizando meio DMEM suplementado com 10% de soro fetal bovino e 100 UI / ml de penicilina de 50 ug / ml de estreptomicina. Incubar as células em uma incubadora humidificada 5% CO 2 a 37 ° C. </li><li> Colheita e, em seguida, as células CHOK1 prato sobre um diâmetro de micro-reservatório 14 mm, com uma espessura de superfície de 0,16 mm. Células de sementeira para a densidade óptima para a imagiologia, cerca de 60-70% de confluência. </li><li> Incubar as células durante a noite a 37 ° C, 5% de CO 2. Lavam-se as células três vezes em HBSS (Solução Salina Tamponada de Hank), e incubar as células numa solução que contém 50 nM de Lyso Tracker DND26 verde e 150 nM de verde tubulina rastreador. Incubar as células durante 1 hora a 37 ° C. Passo opcional: Antes da incubação, realizar uma mancha adicional coloração com um corante de matriz mitocondrial (25 nM). </li><li> Lavam-se as células três vezes em HBSS para remover qualquer corante não ligado. Adicionar meio de crescimento DMEM fresco antes de imagção das células. </li></ol> 2. Microscópio Configurações O microscópio para o rastreamento de partículas descrito no protocolo de vídeo está montado na armação de um microscópio invertido comercialmente disponível (Figura 4). No entanto módulos comerciais para 3D rastreamento de partículas orbital já estão disponíveis. <ol><li> Use a Ti Coherent Chameleon-Ultra II: fonte de luz laser de excitação femtosegundo Sa, com um comprimento de onda de saída ajustável entre 690 nm-1040 nm. </li><li> Certifique-se de que o feixe de laser é alinhado na porta traseira do microscópio usando espelhos revestidos por IR. O feixe de laser é atenuado usando uma placa de meia onda rotativa seguida por um polarizador linear calcite. Atenuar o feixe de modo a que a potência média da amostra está entre 0,5 e 2 mW. NOTA: O feixe de laser é reflectido por um par de espelhos accionados galvanómetro-motores que permitem o controlo da posição e da trajectória do feixe focado no plano da amostra. Numaconfiguração típica do feixe laser colimado de sair dos espelhos galvanométricos ampliada (10x), que passa através de um expansor de feixe, antes de entrar na parte de trás da objectiva de microscópio, após reflexão no espelho dicróico de curta passagem. </li><li> Recolha a luz de fluorescência da amostra através da colocação de um objectivo água abertura numérica elevada (60X, NA 1.2) no caminho da luz. Escolher um cubo de filtro de fluorescência de acordo com os comprimentos de onda de emissão desejadas em uma ou duas configurações de canal. Empregam filtros de banda de emissão para seleccionar ainda mais a gama espectral da fluorescência emitida. </li><li> Colocar a amostra para um palco motorizado, e ajustar o movimento fino da objetiva do microscópio usando um piezo-controlador objetivo. </li><li> Dirigir a luz a partir do cubo de filtro em tubos fotomultiplicadores, onde o sinal é discriminados e enviadas para um I / O cartão de aquisição de dados digital. NOTA: Os utilizadores são formas de onda da saída analógica da placa de I / O e são provided para os scanners sistema eletrônico. A entrada de contagem de fótons dos fotomultiplicadores e do sinal de saída para os scanners são medidos e controlados através do cartão de I / O por do Laboratório de Fluorescência software Dynamics SimFCS. </li></ol> 3 Imagens <ol><li> Posicione as células no palco e se concentrar utilizando transmitida iluminação de luz. </li><li> Mudar para a imagem raster varredura para identificar as células que incorporaram o corante e visualizar os microtúbulos subjacentes. Identificar a área inicial onde o movimento vesícula está presente. </li><li> Uma vez que uma vesícula isolada é identificado, definir os seguintes parâmetros para o rastreamento orbital: <ol><li> Seleccione o raio da órbita para definir o tamanho da varredura circular de acordo com o tamanho da partícula a ser rastreado. Para um ponto emissor, definir o raio da órbita igual à cintura da Função propagação ponto (PSF) do feixe de excitação para maximizar a sensibilidade e de resposta. </li><li> Defina o axialdistanciar para definir a distância entre as duas órbitas que são realizados para localizar a posição de partículas ao longo da direcção axial. Defina a distância axial de 1,5-3 vezes a cintura PSF. </li><li> Define o tempo de permanência de acordo com o brilho das partículas para definir o tempo gasto em cada ponto da órbita, que também irá determinar a taxa de branqueamento foto-. Use o tempo de espera entre 10-100 ms. </li><li> Defina o número de pontos em cada órbita a 64 ou 128 para produzir períodos de órbita na ordem de 4-32 ms e fornecer uma alta resolução temporal para determinar a posição da partícula. </li></ol></li><li> Alterar o DC offset sinal enviado para os espelhos, a fim de centralizar o feixe sobre a partícula através da interface gráfica do usuário através de uma seleção cursor na imagem digitalizada-raster. </li><li> Começar a acompanhar desligando o modo de microscópio de varredura de geração de imagens para digitalização orbital. </li><li> Ative a coleta feedback e dados. </li></ol> 4. TrajectAnálise ory <ol><li> Usar o software para exibir a fluorescência recolhidos em cada ponto ao longo da órbita e, em cada ponto de tempo sob a forma de um «tapete intensidade &#39;. A intensidade coletadas ao longo do tapete fornece informações sobre a interação da partícula com outros objetos brilhantes. Usar o software para mostrar tanto a informação percurso (isto é, o deslocamento de DC ao longo do tempo de x, y e digitalizadores do -piezo z), bem como a intensidade de fluorescência recolhido a partir do tubo de fotomultiplicador ao longo do tempo sob a forma de séries de tempo. </li><li> Use a representação de séries temporais e as informações &#39;intensidade tapete &quot;para selecionar apenas uma região de interesse na trajetória. </li><li> Use o software para exibir uma projeção 2D da parte selecionada da trajetória da partícula. Selecione os controles apropriados para cor-código a trajetória de acordo com a intensidade de fluorescência de partículas. </li><li> Selecione a opção para exibir o partigo trajetória em 3D, e cor code-lo de acordo com a intensidade de fluorescência. Gire a trajetória em 3D usando os controles para visualizar as características do movimento lisossomo ao longo do microtúbulo. </li></ol>

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	<li>So, P. T., Dong, C. Y., Masters, B. R., Berland, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two+photon+excitation+fluorescence+microscopy.">Two photon excitation fluorescence microscopy.</a> Annu Rev Biomed Eng. 2, 399-429 (2000).</li><li>Dupont, A., Lamb, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+three+dimensional+single+particle+tracking.">Nanoscale three dimensional single particle tracking.</a> Nanoscale. 3, 4532-4541 (2011).</li><li>Estrada, L. 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The authors have nothing to disclose.

Apesar dos avanços enormes de técnicas de microscopia de fluorescência e instrumentações, nos últimos anos, alcançando trajetórias de partículas fluorescentes em três dimensões com uma resolução temporal alta manteve-se um desafio no campo. Se alta resolução temporal foi alcançado partículas de rastreio em duas dimensões, a extensão no sentido axial tipicamente traz uma drástica redução na resposta de frequência do sistema 10. Neste protocolo de vídeo, focada na aplicação demonstrativa de rastrear uma partícula individual em três dimensões dentro de uma célula viva com uma alta resolução temporal (32 ms neste experimento) usando um microscópio de dois fotões. A configuração necessária para a realização de tal experiência é geralmente disponível para laboratórios que realizam microscopia de varredura a laser. Ambos os instrumentos complementos monitoramento orbital 3D, bem como o software de controle estão disponíveis no mercado, para commerciamicroscópios de varredura a laser l, como os fabricados pela Olympus. O uso de uma fonte de laser de alta potência de infravermelhos pulsada, quando disponível, é vantajoso no desenho da instalação experimental, uma vez que não necessita de-varrimento da fluorescência emitida. Além disso, foi demonstrado no passado que a irradiação infravermelha é mais benigno para a célula, sob condições específicas de 11, tendo em conta a redução de fluorescência de foco e foto-branqueamento. Embora o paralelismo de uma partícula fluorescente em duas dimensões pode ser realizado utilizando uma câmara sensível, a ausência de qualquer informação tridimensional pode ser, muitas vezes limitando a interpretar o significado da informação biofísica trajectória. Por exemplo, as vesículas se deslocam ao longo de microtúbulos freqüentemente se deparam com regiões microtúbulos interseção 8,12. Nesta situação, o uso de uma técnica de rastreio 3D ultrapassa o limite de utilização de projecções 2D de uma estrutura 3D. Devido ao tempo de resposta do dispositivo nosso objectivo nanopositioner piezo, o período do movimento no eixo z é limitado a cerca de 30 ms, enquanto que os valores de x, y instruções que podem ir até alguns milissegundos. A precisão do método de localização de escalas como a relação sinal-ruído de 4,5. A única limitação aparente do método, ou seja, a perda de uma visão global do ambiente da partícula, é compensado pela possibilidade de reconstruir um tapete intensidade temporal de 13, traçando a história das interações da partícula fluorescente com fontes fluorescentes vizinhos, exibindo o mesmo ou uma emissão espectral diferente. Mostramos que o movimento dos lisossomos, vesículas que sofrem de movimento ao longo dos microtúbulos dirigidas, alimentado por uma kinesins ou dyneins, pode ser seguido dentro de uma célula viva após coloração utilizando um corante disponível no mercado. Recentemente, 2D rastreamento dos lisossomos era correxultante com a imagem de super-resolução da rede de microtúbulos, no esforço de detectar as rotas que levam as vesículas em microtúbulos-microtúbulos interseções 8. Trajetórias 3D dos lisossomos exibir um comportamento mais complexo do movimento unidirecional. Apesar de uma média dirigido movimento pode ser observado, flexão, torção e rotações possíveis ao longo dos túbulos podem ser observados a partir dessas trajetórias. Foram identificados dois passos críticos na realização destas experiências: em primeiro lugar, é necessário conseguir uma densidade de rotulagem dos lisossomos, que é ao mesmo tempo suficientemente elevada para se obter partículas brilhantes coradas, e que, ao mesmo tempo, proporciona uma densidade de partículas baixa o suficiente para permitir o rastreamento de partículas individuais. No caso de duas partículas de passagem, o microscópio pode mudar de uma partícula para o outro enquanto que um rasto. O segundo passo essencial diz respeito à escolha do tempo de permanência do pixel, o que permite um equilíbrio razoável sertre alta relação sinal-ruído e velocidade de deslocação. Temos observado que a velocidade de rastreamento na ordem de 32 ms por ciclo de monitoramento são geralmente suficiente para acompanhar os lisossomos submetidos movimento rápido direcionado a velocidades inferiores a 1 mícron / seg. Em resumo, rastreamento orbital permite medir em três dimensões e com uma resolução temporal de 40 ms &lt;o movimento intracelular de vesículas marcados com fluorescência. O rastreamento orbital 3D tem o potencial para ser empregado no futuro para o estudo de diferentes processos celulares altamente dinâmicos tais nos o estudo da dinâmica da cromatina tempo real, transcrição e difusão de nanopartículas plasmonic no meio intracelular.

Um grande número de abordagens têm sido desenvolvidas até agora para controlar partículas fluorescentes em três dimensões utilizando um microscópio. A maioria das abordagens se baseiam na utilização de câmeras rápidas, ideal para acompanhar em duas dimensões, normalmente combinados com modificações personalizadas da óptica de emissão do microscópio para alcançar rastreamento na direção axial. Microscópios de varredura a laser (ou confocal ou dois fótons) convencionalmente pode acompanhar uma partícula fluorescente através da realização de uma seqüência de tempo de z-stacks, embora este processo é normalmente demorado, e produz resolução de tempo razoável (10 Hz) somente se a partícula ser rastreado é mantida no centro de uma pequena região de imagem raster por um mecanismo de feedback activo 2. A ideia de bloqueio em que a partícula é a base do método de controle orbital. Em vez de um raster digitalizar uma órbita circular é realizada em torno da partícula fluorescente. A intensidade da fluorescência ao longoa órbita localiza com precisão a posição de partícula 4. A posição localizada da partícula pode então ser utilizado para accionar os scanners de microscópio e centro-re a órbita na posição de partícula. Os scanners galvanométricos do microscópio são accionados por uma tensão analógica. O componente AC desta voltagem permite realizar uma órbita com o feixe de laser focado, ou seja, um seno e co-seno de onda aplicada aos X e Y digitalização espelhos irá permitir a realização de uma órbita circular. O desvio do sinal de corrente contínua facilita a mudança de posição do centro da órbita. Depois de um período de órbita, é determinada e a forma de onda para o sinal de corrente alternada está configurada, o sistema de realimentação tem de actualizar apenas o componente DC do sinal. Um software capaz de ler o sinal de fluorescência recolhido dos detectores é necessário para controlar os leitores e detectores, para calcular a posição da partícula e actualizar o CC foradefinido. Para uma reacção de sucesso imagens de uma cuidadosa escolha dos parâmetros da órbita (tamanho e de sincronização) é necessária e estes parâmetros têm de ser ajustadas com base nas características das partículas fluorescentes que é necessário para controlar. Os fundamentos físicos e matemáticos da técnica foram descritos no passado de 4,5 para ambas as aplicações de 2D e 3D. Neste protocolo, descrevemos resumidamente os principais componentes da configuração de hardware, e em mais detalhe a escolha dos parâmetros e a preparação da amostra necessária para uma experiência típica, permitindo-nos a seguir o deslocamento de um lisossoma em alta resolução temporal dentro de uma 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

O objetivo deste protocolo de vídeo é discutir como executar e analisar uma fluorescente orbital experimento de rastreamento de partículas tridimensional usando uma versão modificada do microscópio de dois fótons 1. Ao contrário de abordagens convencionais (digitalização raster ou campo grande baseado em uma pilha de quadros), o monitoramento orbital 3D permite localizar e seguir com uma alta espacial (precisão nm 10) e resolução temporal (frequência de resposta de 50 Hz) o deslocamento 3D uma partícula fluorescente passar comprimento escalas de centenas de microns 2. O método baseia-se num algoritmo de realimentação que controla o hardware de um de dois fotões microscópio de varrimento laser, a fim de realizar uma órbita circular em torno do objecto a ser rastreado: o mecanismo de realimentação vai manter o objecto fluorescente no centro através do controlo da deslocação da o feixe de varrimento 3-5. Para demonstrar as vantagens desta técnica, seguimos uma organela em movimento rápido, o lisossoma, dentro de alcélula iving 6,7. As células foram semeadas de acordo com protocolos convencionais, e corados com um corante comercialmente lisossoma. Discutimos brevemente a configuração de hardware e de forma mais detalhada o software de controle, para realizar um experimento de monitoramento orbital 3D dentro de células vivas. Discutimos detalhadamente os parâmetros necessários, a fim de controlar o microscópio de varredura e permitir o movimento do feixe em uma órbita fechada em torno da partícula. Conclui-se, demonstrando como esse método pode ser efetivamente usado para rastrear o movimento rápido de um lisossoma marcado ao longo dos microtúbulos em 3D dentro de uma célula viva. Lisossomas podem mover-se com velocidades na gama de 0,4-0,5 um / seg, exibindo tipicamente um movimento dirigido ao longo da rede de microtúbulos 8.

De acordo com este protocolo de rastreio rápido 3D única partícula pode ser realizada dentro de células vivas utilizando um microscópio de dois fotões modificado para controlar o deslocamento de lisossomos marcados com fluorescência. O experimento realizado consiste em acompanhamento de um lisossoma isolado em movimento no interior da célula após o processo de maturação endosome 9. Os lisossomos foram coradas utilizando um corante fluorescente verde e animado em 930 nm exploram dois fótons de excitação. Os nossos dados mostram que é possível obter x, y, z trajectórias de deslocamento com uma resolução temporal de 32 ms (Figura 1a). A análise tapete mostra a intensidade registada ao longo de cada órbita ao longo do tempo (Figura 1b). Durante o acompanhamento da intensidade integrada da fluorescência emitida pode ser registada (Figura 2a). A trajetória de reconstrução 3D exibe uma moção dirigida, como se pode esperar de uma vesícula em movimento na rede de microtúbulos. Additionally, é possível correlacionar a trajetória 3D para uma imagem Varredura da região circundante (Figura 2b). Isto confirma o movimento da partícula ao longo da direcção de um feixe de microtúbulos. As células foram adicionalmente marcadas com um marcador vermelho para mitocôndrias para gravar eventual interação da vesícula com essas organelas durante seu movimento. É possível correlacionar a trajectória 3D da partícula no interior da célula (Figura 3A) para o tapete intensidade registada a partir da emissão de fluorescência Mitotracker (Figura 3b). Isso nos permite gravar as interações de proximidade da vesícula com a rede mitocondrial em função da sua posição dentro da célula. O pico das emissões registado no &quot;canal mitocôndrias&quot; não dá informações funcionais sobre a forma como as organelas interagir. Ele pode fornecer apenas informações sobre o tempo de sua interaçãoe a posição espacial relativa do objecto fluorescente com respeito à partícula a ser rastreado. Esta posição relativa é extraído a partir do ângulo máximo da órbita em que o pico de emissão é registada. Uma representação esquemática do microscópio foi utilizado para realizar esta experiência pode ser observado na Figura 4. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/51794/51794fig1highres.jpg" /> Figura 1 Deslocamento vs trajetórias de tempo e intensidade do tapete. a) x, y e z deslocamento lisossoma vs vestígios de tempo. b) A trajectória intensidade (isto é, a intensidade recolhidos ao longo de cada eixo vertical órbita circular é o tempo) fornece informação sobre o ambiente de fluorescência da partícula. Os pontos brilhantes fora da caixa correspondem às interações da partícula com outros objetos brilhantes, e estão associados a saltos na trajetória como th<html> e órbitas re-centra-se na fonte de fluorescência brilhante. A região em caixa corresponde à parte do percurso entre dois saltos. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/51794/51794fig2highres.jpg" /> Figura 2 Seguindo a trajetória 3D de um lisossoma. a) reconstrução 3D de uma parte da trajetória de um lisossoma coletados por meio de rastreamento de partículas. A trajetória é codificado por cores para a intensidade de fluorescência coletados a partir da partícula (vermelho, alto, azul, baixa contagem de fótons). Escalas eixos estão em nm. Note-se que x, y, z eixos têm diferentes gamas. Projeção b) 2D da trajetória 3D, exibindo uma sobreposição da trajetória em cima da microtúbulos fotografada em um raster varredura imediatamente após a trajetória foi coletado. C) As mitocôndrias coradas com Mitotracker . re 3 &quot;src =&quot; / files / ftp_upload / 51794 / 51794fig3highres.jpg &quot;/&gt; Figura 3. Estendendo o rastreamento orbital para mais de um canal (excitação a 930 nm). a) trajectória 3D de um lisossoma no interior da célula. b) Intensidade do tapete no canal verde (a fluorescência recolhidos neste canal é utilizado para controlo). c) Intensidade de tapete no canal vermelho, em que as mitocôndrias foram coradas com uma matriz fluorescente vermelho corante alvejado. As regiões onde a trajetória entra em contato com a mitocôndria (setas) aparecem como colisões de intensidade no tapete, como o feixe em órbita ao redor do lisossoma cruza na matriz mitocondrial. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/51794/51794fig4highres.jpg" /> Figura 4 Esquemas da instalação experimental: modificado de dois fótons microscópio. Representação esquemática do laser set-up: a 2-Photon Ti: Sa laser com uma gama 690-1,040 nm foi-nosed, de um polarizador e uma metade waveplate são usados ​​para controlar a energia de excitação. Todos os outros itens estão listados na figura utilizando os códigos indicados. Usamos um objetivo 60X com um 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.

3D Orbital Rastreamento em um microscópio de dois fotões Modificação: Uma Aplicação para o rastreamento 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 visualizações.  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. 

Vídeo: 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.

Visualização de endosome Dynamics em Viver terminais nervosos com quatro-dimensional imagens de fluorescência

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

Neurociência

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.

Visualizando o tráfico dependente de citoesqueleto de organelas contendo lipídios em embriões Drosophila

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

Biologia do Desenvolvimento

In vivo Quantification of G Protein Coupled Receptor Interactions using Spectrally Resolved Two-photon Microscopy

The study of protein interactions in living cells is an important area of research because the information accumulated both benefits industrial applications as well as increases basic fundamental biological knowledge. F&ouml;rster (Fluorescence) Resonance Energy Transfer (FRET) between a donor molecule in an electronically excited state and a nearby acceptor molecule has been frequently utilized for studies of protein-protein interactions in living cells. The proteins of interest are tagged with two different types of fluorescent probes and expressed in biological cells. The fluorescent probes are then excited, typically using laser light, and the spectral properties of the fluorescence emission emanating from the fluorescent probes is collected and analyzed. Information regarding the degree of the protein interactions is embedded in the spectral emission data. Typically, the cell must be scanned a number of times in order to accumulate enough spectral information to accurately quantify the extent of the protein interactions for each region of interest within the cell. However, the molecular composition of these regions may change during the course of the acquisition process, limiting the spatial determination of the quantitative values of the apparent FRET efficiencies to an average over entire cells. By means of a spectrally resolved two-photon microscope, we are able to obtain a full set of spectrally resolved images after only one complete excitation scan of the sample of interest. From this pixel-level spectral data, a map of FRET efficiencies throughout the cell is calculated. By applying a simple theory of FRET in oligomeric complexes to the experimentally obtained distribution of FRET efficiencies throughout the cell, a single spectrally resolved scan reveals stoichiometric and structural information about the oligomer complex under study. Here we describe the procedure of preparing biological cells (the yeast Saccharomyces cerevisiae) expressing membrane receptors (sterile 2 &alpha;-factor receptors) tagged with two different types of fluorescent probes. Furthermore, we illustrate critical factors involved in collecting fluorescence data using the spectrally resolved two-photon microscopy imaging system. The use of this protocol may be extended to study any type of protein which can be expressed in a living cell with a fluorescent marker attached to it.

In vivo Quantification of G Protein Coupled Receptor Interactions using Spectrally Resolved Two-photon Microscopy

By employing a spectrally resolved two-photon microscopy imaging system, pixel-level maps of F&ouml;rster Resonance Energy Transfer (FRET) efficiencies are obtained for cells expressing membrane receptors hypothesized to form homo-oligomeric complexes. From the FRET efficiency maps, we are able to estimate stoichiometric information about the oligomer complex under study.

Em Quantificação in vivo de proteínas G Interações Receptor Acoplado usando espectral Resolvido Microscopia de dois fótons

The study of protein interactions in living cells is an important area of research because the information accumulated both benefits industrial ...

Biologia

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.

Um protocolo para rastreamento em tempo real 3D única 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 ...

Bioengenharia

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.

Quantificação de Endosome e Moosidades de Lisosoma em Neurônios Cultivados Usando 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.

Na Vivo Único-molécula de rastreamento no Terminal do nervo Motor pré-sináptica da drosófila

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. ...

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.

4D microscopia de levedura

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.

Microscopia de Reconstrução Óptica Estocástica Direta de Vesículos Extracelulares em Três Dimensões

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.

Visualização da Motilidade da Vesícula em Neurônios Usando Imagem de Fluorescência

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 ...