Кіріспе
Флуоресценттік микроскопияның әдісі Стимуляциялық эмиссиялық кему (STED) микроскопиясы - суперрезолюциялық микроскопияны құрайтын әдістердің бірі. Ол флюорофорларды таңдамалы түрде өшіру арқылы супердеректі суреттерді жасайды, фокус нүктесінде жарықтандыру аймағын азайтады және осылайша берілген жүйе үшін қол жетімді ажыратылымды арттырады. Оны 1994 жылы Стефан В. Хелл мен Ян Вихман әзірледі, Хеллге оның дамуы үшін 2014 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы берілді. 1986 жылы В. А. Охонин (СССР Ғылым академиясының Сибір бөлімшесінің Биофизика институты, Красноярск) STED идеясын патенттеді. Бұл патент 1994 жылы Хелл мен Вихманның білмейтіндігі. STED микроскопиясы - бұл соңғы уақытта жарық микроскопиясының дифракциялық шектерін айналып өтіп, ажыратылуын арттыру үшін әзірленген суперрезолюциялы микроскопияның бірнеше түрлерінің бірі. STED - бұл белгілі бір функционалдық техника, ол биологиялық үлгілерді таңбалау үшін әдетте қолданылатын флюорофорлардың сызықтық емес реакциясын пайдаланады, яғни STED кескіндерді дифракциялық шектен төмен резолюциямен алуға мүмкіндік береді. Бұл фотоактивті локализациялық микроскопия (PALM) және оптикалық реконструкция микроскопиясы (STORM) сияқты стохастикалық функционалдық әдістерден ерекшеленеді, өйткені бұл әдістер математикалық модельдерді дифракциялық шектелген көптеген суреттер жиынтығынан субдифракциялық шекті қайта құру үшін пайдаланады.
Stimulated emission depletion (STED) microscopy is one of the techniques that make up super resolution microscopy. It creates super resolution images by the selective deactivation of fluorophores, minimizing the area of illumination at the focal point, and thus enhancing the achievable resolution for a given system. It was developed by Stefan W. Hell and Jan Wichmann in 1994, Hell was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2014 for its development. In 1986, V. A. Okhonin (Institute of Biophysics, USSR Academy of Sciences, Siberian Branch, Krasnoyarsk) had patented the STED idea. This patent was unknown to Hell and Wichmann in 1994. STED microscopy is one of several types of super resolution microscopy techniques that have recently been developed to bypass the diffraction limit of light microscopy to increase resolution. STED is a deterministic functional technique that exploits the non linear response of fluorophores commonly used to label biological samples in order to achieve an improvement in resolution, that is to say STED allows for images to be taken at resolutions below the diffraction limit. This differs from the stochastic functional techniques such as photoactivated localization microscopy (PALM) and stochastic optical reconstruction microscopy (STORM) as these methods use mathematical models to reconstruct a sub diffraction limit from many sets of diffraction limited images.
Өмірбаян
Дәстүрлі микроскопияда, алынған ажыратылым жарықтың дифракциясымен шектеледі. Эрнст Аббе осы шекті сипаттау үшін теңдеу жасады. Теңдеу мынаны білдіреді: мұнда D - дифракциялық шек, λ - жарықтың толқын ұзындығы, ал NA - сандық диафрагма немесе ортаның сыну индексі, оның синусы, түсу бұрышының синусы. n - үлгіні сыну индексін сипаттайды, α - объектив жарық жинаған тұтас жарты бұрышты өлшеуіш, λ - үлгіні қоздыру үшін қолданылатын жарық толқын ұзындығы, NA - сандық диафрагма. Жоғары ажыратылысты алу үшін (яғни d-ның кіші мәндері), қысқа толқын ұзындығы мен жоғары NA мәндері (NA = n sinα) оңтайлы. Бұл дифракциялық шек барлық суперрезолюциялық әдістер өлшенетін стандарт болып табылады. STED флуоресценцияны таңдамалы түрде өшіріп тастағандықтан, ол дәстүрлі конфокалды микроскопиядан гөрі жақсы шешімге қол жеткізе алады. Қалыпты флуоресценция электронды негізгі күйден басқа негізгі энергия деңгейінің (S0 S1-ге өтеді) қозғайтын электронды күйіне қоздыру арқылы пайда болады, ол негізгі күйге (S1-дің) оралғаннан кейін S1-ден S0-дегі тербеліс энергия деңгейіне түсу арқылы фотонды шығарады. STED фотоны шығармай тұрып, осы процессті үзіп тастайды. Қуатылған электрон флуоресценттік ауысудан гөрі жоғары тербеліс күйіне демалуға мәжбүр болады, бұл фотондардың оң жақтағы суретте көрсетілгендей қызыл ауысуына әкеледі. Электрон жоғары тербеліс күйіне ауысқандықтан, екі күйдің энергия айырмашылығы қалыпты флуоресценция айырмашылығынан төмен болады. Энергияның төмендеуі толқын ұзындығын көтереді, ал фотондар спектрдің қызыл аяғына қарай ауысады. Бұл ауытқу екі фотоны ажыратады және стимуляцияланған фотоны елемеуге мүмкіндік береді. Бұл баламалы сәуле шығару үшін флюорофорға әсер ететін фотондар болуы керек. Бұл фотондардың әсер етуі STED үшін екі түрлі. Біріншіден, индейд фотондарының саны осы эмиссияның тиімділігіне тікелей әсер етеді, ал екіншісі, фотондардың жеткілікті санымен флуоресценцияны толығымен басуға болады. Флуоресценцияны басу үшін қажетті көп сандағы фотондарды алу үшін фотондарды өндіруге арналған лазердің интенсивтілігі жоғары болуы керек. Өкінішке қарай, бұл жоғары интенсивті лазер флюорофорды фотоағарту мәселесіне әкелуі мүмкін. Фотоағарту - флюорофорлардың жоғары интенсивті жарықпен жойылуының атауы.
where D is the diffraction limit, λ is the wavelength of the light, and NA is the numerical aperture, or the refractive index of the medium multiplied by the sine of the angle of incidence. n describes the refractive index of the specimen, α measures the solid half‐angle from which light is gathered by an objective, λ is the wavelength of light used to excite the specimen, and NA is the numerical aperture. To obtain high resolution (i. e. small d values), short wavelengths and high NA values (NA = n sinα) are optimal. This diffraction limit is the standard by which all super resolution methods are measured. Because STED selectively deactivates the fluorescence, it can achieve resolution better than traditional confocal microscopy. Normal fluorescence occurs by exciting an electron from the ground state into an excited electronic state of a different fundamental energy level (S0 goes to S1) which, after relaxing back to the ground state (of S1), emits a photon by dropping from S1 to a vibrational energy level on S0. STED interrupts this process before the photon is released. The excited electron is forced to relax into a higher vibration state than the fluorescence transition would enter, causing the photon to be released to be red shifted as shown in the image to the right. Because the electron is going to a higher vibrational state, the energy difference of the two states is lower than the normal fluorescence difference. This lowering of energy raises the wavelength, and causes the photon to be shifted farther into the red end of the spectrum. This shift differentiates the two types of photons, and allows the stimulated photon to be ignored. To force this alternative emission to occur, an incident photon must strike the fluorophore. This need to be struck by an incident photon has two implications for STED. First, the number of incident photons directly impacts the efficiency of this emission, and, secondly, with sufficiently large numbers of photons fluorescence can be completely suppressed. To achieve the large number of incident photons needed to suppress fluorescence, the laser used to generate the photons must be of a high intensity. Unfortunately, this high intensity laser can lead to the issue of photobleaching the fluorophore. Photobleaching is the name for the destruction of fluorophores by high intensity light.
Процесс
STED-тің функциясы - флуоресценция сәулесін шығару үшін орталық фокустық нүкте белсенді болып қала отырып, үлгідегі белгілі бір аймақтарда флуоресценцияны азайту. Бұл фокустық аймақты объектив линзасының оқушы жазықтығының қасиеттерін өзгерту арқылы құрастыруға болады. Бұл дифракциялық оптикалық элементтердің немесе DOE-дің ең кең таралған ерте үлгісі - төмендегі екі өлшемді бүйірлік тұйықтауда қолданылатын тор пішіні. Қызыл аймақ жойылады, ал жасыл нүкте белсенді болып қалады. Бұл DOE оптикалық шұңқырмен біріктірілген, лазердің дөңгелек полярлануымен жасалады. Бұл DOE-нің бүйірлік ажыратылуы әдетте 30-дан 80 нм-ге дейін. Алайда 2,4 нм-ге дейінгі мәндер туралы хабарланған. Әр түрлі DOE-ді қолдану арқылы 100 нм реттік осьтік ажырату мүмкіндігі көрсетілді. Модификацияланған Аббе теңдеуі бұл субдифракциялық ажыратылымды былайша сипаттайды: ортаның сыну индексі, қуыс ішіндегі қарқындылық және қанығу қарқындылығы. STED-тің тиімділігін оңтайландыру үшін ошақ нүктесінің ортасындағы бүлдіруші кедергі мүмкіндігінше кемелдікке жақын болуы керек. Бұл оптикалық құрылғыларға белгілі бір шектеулер қояды.
Where is the refractive index of the medium, is the intracavity intensity and is the saturation intensity. Where is the saturation factor expressing the ratio of the applied (maximum) STED intensity to the saturation intensity,
To optimize the effectiveness of STED, the destructive interference in the center of the focal spot needs to be as close to perfect as possible. That imposes certain constraints on the optics that can be used.
Түстер
STED-ті әзірлеудің алғашқы кезеңінде процесте қолданылатын бояулардың саны өте шектеулі болды. Родамин В STED-тің алғашқы теориялық сипаттамасында аталған. Нәтижесінде қызыл спектрдегі лазерлік бояулар пайда болды. Биологиялық жүйелерді STED-талдауға мүмкіндік беру үшін бояғыштарды және лазерлік көздерді жүйеге сәйкес келтіру керек. Бұл жүйелерді жақсы талдауға деген құштарлық тірі клеткалы STED және көп түсті STED-ге әкелді, бірақ ол сондай-ақ функционалдылықтың артуына сәйкес келетін әрдайым жетілдірілген бояулар мен қоздыру жүйелерін талап етті. және сары шығаратын, Atto 590, сондай-ақ қосымша қызыл шығаратын бояулар. Сонымен қатар, Atto 647N алғаш рет екі түсті STED өндіру үшін осы әдіспен қолданылды.
Қолданбалар
Соңғы бірнеше жылда STED күрделі және өте ерекше әдістен жалпы флуоресценция әдісіне дейін дамыды. Нәтижесінде STED-тің пайдалылығын кеңейту және көбірек ақпарат беруге мүмкіндік беру үшін бірқатар әдістер әзірленді.
Құрылымдық талдау
Процесс басынан бастап STED флуоресценциялық микроскопияға тек электронды микроскопия арқылы ғана мүмкін болатын тапсырмаларды орындауға мүмкіндік берді. Мысалы, STED ақуыз құрылысын талдауды суборганелл деңгейінде түсіндіру үшін қолданылды. Зерттеудің осы деңгейінің жалпы дәлелі цитоскелеттік талшықтар бақылауы болып табылады. Сонымен қатар, STED және конфокалды микроскоптардың ажырату қабілетін салыстыру үшін нейрофиламенттер, актин және тубулин жиі қолданылады. STED- ті қолдану арқылы SNAP25 - ті зерттегенде 70 90 нм- дың жақтық ажыратылымына қол жеткізілді, бұл мембраналық синтезді реттейтін адам ақуызы. Бұл байқау SNAP25 SNARE мотивінің функционалдығынан тәуелсіз кластерлерді құратынын және кластерлі синтаксинге байланатынын көрсетті. Митохондрия сияқты күрделі органеллдерді зерттеу STED микроскопиясының құрылымдық талдауынан да пайда алады. 50 нм-ден төмен жақтық ажыратылуы бар арнайы жасалған STED микроскоптарын қолдану арқылы митохондриялық Tom20, VDAC1 және COX2 ақуыздары наномасштабты кластерлер ретінде таралатыны анықталды. Тағы бір зерттеуде үйде жасалған STED микроскопиясы мен ДНК-ға байлайтын флуоресцентті бояу қолданылып, ДНҚ фрагменттерінің ұзындығы конфокалды микроскопиямен дәстүрлі өлшеуден әлдеқайда дәл өлшенді.
Корреляциялық әдістер
Өзінің функциясы бойынша STED микроскопиясын басқа да жоғары ажырату әдістерімен бірге қолдануға болады. Электрондық және атомдық күш микроскопиясының ажыратылуы STED ажыратылуынан да жақсы, бірақ атомдық күшті STED-пен біріктіру арқылы, Шима және басқалар. зерттеулер нәтижесінде жасушалардың қаттылығындағы өзгерістерді бақылап, адам жасушасының актин цитоскелеті бейнеленген.
Көп түсті
Көп түсті STED-тер протеиндердің құрылымы мен функциясы арасындағы байланысты зерттеу үшін STED-терді қолдануда туындаған проблемаға жауап ретінде жасалды. Мұндай күрделі жүйені зерттеу үшін кем дегенде екі бөлек флюорофорды пайдалану керек. Екі флуоресцентті бояулар мен сәулелік жұптарды қолдану арқылы 5 нм-ге дейінгі ажыратылыммен синапты және митохондриялық ақуыз кластерлерін колокалды бейнелеу мүмкін [18]. Көп түсті STED-тер синапты көпіршік белоктарының әртүрлі популяциялары синапты қашу түйіндерін араластырмайды деп көрсетуге де пайдаланылды. Көп өмірлік бейнелеумен екі түсті STED қолдану арқылы үш арналы STED мүмкін болады.
Тірі жасуша
Алғашында STED тірі жасушалармен жұмыс істеу үшін пайдалы әдіс деп саналды. Алайда, флуоресцентті ақуыздар ғана тірі клеткадағы кез келген органельді немесе ақуызды бейнелеу мүмкіндігін береді. Бұл әдістің сүтқоректілердің цитрин тубулинін экспрессиялайтын жасушаларындағы 50 нм көлденең ажыратылуымен жұмыс істейтіндігі дәлелденді. Сүтқоректілердің жасушаларындағы құрылымдарды анықтаумен қатар, STED өсімдік жасушаларының плазмалық мембранасындағы YFP белгісі бар ПИН ақуыздарын топтастыруды визуализациялауға мүмкіндік берді. Жақында көп түсті тірі клеткалардың STED импульсті қызыл лазерді және CLIPf белгісін және SNAPf белгісін қолдану арқылы жүргізілді.
Жануарлардың миында
Тышқанның қабырға қабығының беткі қабаттарын бас сүйегі терезесі арқылы қайта-қайта бейнелеуге болады. Бұл жеке дендриттік тікендердің тағдыры мен пішінін бірнеше апта бойы бақылауға мүмкіндік береді. Екі түсті STED көмегімен тірі жануарлардың постсинаптикалық тығыздығының наноқұрылымын анықтау мүмкін.
STED бейне жылдамдықтары мен одан да жоғары
Супер-резолюция кішкентай пиксельдерді қажет етеді, яғни берілген үлгіде алу үшін көбірек кеңістік, бұл ұзақ уақытқа әкеледі. Алайда, ошақ нүктесінің көлемі лазердің интенсивтілігіне байланысты. Нәтижесінде бұл нүкте өлшемін өзгерту, өлшемін және бейнелеу жылдамдығын өзгерту мүмкін. Осылайша әрбір нақты бейнелеу тапсырмасы үшін осы екі фактордың арасында келісімге қол жеткізуге болады. Секундасына 80 кадр жылдамдығы, 60 нм-ге жуық фокустық нүктелер тіркелді. Кішігірім көрініс өрісі үшін секундына 200 кадрға дейін жетуге болады.
Қиындықтар
Фотоағарту тіпті жоғары қоздырғышты күйге қоздырудан немесе үштік күйдегі қоздырудан болуы мүмкін. Эмоционалды күйге ұшыраған электрондардың басқа, жоғары күйге ұшырауына жол бермеу үшін фотондардың энергиясы, баламалы эмиссияны іске қосу үшін қажет, бір күйден екіншісіне қоздыру энергиясымен жапсарласпауы керек. Бұл флюорофорлармен байланысқан әрбір лазерлік фотондардың стимуляцияланған эмиссияға әкелетінін және электрондардың басқа, жоғары энергиялы күйге қоздырылмауын қамтамасыз етеді. Үштік күйлер бірлік күйлерге қарағанда ұзақ өмір сүреді, ал үштік күйлердің қоздыруын болдырмау үшін лазерлік импульстер арасындағы уақыт электрондардың басқа сөндіру әдісі арқылы демалуына мүмкіндік беру үшін жеткілікті ұзақ болуы керек, немесе үштік күйді сөндіру үшін химиялық қосылыс қосылуы керек.