Введение
Техника флуоресцентной микроскопии Микроскопия стимулированного истощения эмиссии (STED) является одной из техник, составляющих микроскопию сверхразрешения. Он создает изображения сверхвысокого разрешения путем выборочного дезактивации флюорофоров, минимизируя область освещения в фокусной точке и, таким образом, повышая достижимое разрешение для данной системы. Он был разработан Стефаном В. Хеллом и Яном Вихманном в 1994 году, Хелл был удостоен Нобелевской премии по химии в 2014 году за его разработку. В 1986 году В. А. Охонин (Институт биофизики, Академия наук СССР, Сибирский филиал, Красноярск) запатентовал идею STED. Этот патент был неизвестен Хеллу и Вихману в 1994 году. Микроскопия STED является одним из нескольких типов микроскопических методов сверхрезолюции, которые были недавно разработаны для обхода дифракционного предела световой микроскопии для увеличения разрешения. STED - это детерминированная функциональная техника, которая использует нелинейный ответ флюорофоров, обычно используемых для маркировки биологических образцов, для достижения улучшения разрешения, то есть STED позволяет получать изображения с разрешением ниже предела дифракции. Это отличается от стохастических функциональных методов, таких как фотоактивированная локализационная микроскопия (PALM) и стохастическая оптическая реконструкционная микроскопия (STORM), поскольку эти методы используют математические модели для реконструкции субдифракционного предела из многих наборов изображений с ограниченным дифракционным диапазоном.
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.
Предыстория
В традиционной микроскопии разрешение, которое можно получить, ограничено дифракцией света. Эрнст Аббе разработал уравнение для описания этого предела. Уравнение выглядит следующим образом: где D - предел дифракции, λ - длина волны света, а NA - числовая апертура, или показатель преломления среды, умноженный на синус угла падения. n - показатель преломления образца, α - полуугол твердого тела, из которого объектив собирает свет, λ - длина волны света, используемая для возбуждения образца, а NA - числовая апертура. Для получения высокого разрешения (то есть малых значений d) оптимальны короткие длины волн и высокие значения NA (NA = n sinα). Этот предел дифракции является стандартом, по которому измеряются все методы сверхразрешения. Поскольку STED избирательно деактивирует флуоресценцию, он может достичь разрешения лучше, чем традиционная конфокальная микроскопия. Нормальная флуоресценция происходит путем возбуждения электрона из основного состояния в возбужденное электронное состояние другого фундаментального энергетического уровня (S0 переходит в S1), которое, после расслабления обратно в основное состояние (S1), излучает фотон, падая из S1 на вибрационный энергетический уровень на S0. STED прерывает этот процесс до того, как фотоны выходят. Возбужденный электрон вынужден расслабиться в состоянии более высокой вибрации, чем войдет флуоресцентный переход, в результате чего фотон, выделяемый, будет смещен в красный цвет, как показано на изображении справа. Поскольку электрон переходит в более высокое вибрационное состояние, разница энергии двух состояний ниже, чем нормальная разница флуоресценции. Это снижение энергии повышает длину волны и заставляет фотоны смещаться дальше в красный конец спектра. Этот сдвиг дифференцирует два типа фотонов и позволяет игнорировать стимулированный фотон. Чтобы заставить это альтернативное излучение произойти, падающий фотон должен ударить флюорофор. Эта необходимость быть пораженным инцидентным фотоном имеет два последствия для STED. Во-первых, количество падающих фотонов напрямую влияет на эффективность этого излучения, а во-вторых, при достаточно большом количестве фотонов флуоресценция может быть полностью подавлена. Для достижения большого количества падающих фотонов, необходимых для подавления флуоресценции, лазер, используемый для генерации фотонов, должен быть высокой интенсивности. К сожалению, этот высокоинтенсивный лазер может привести к проблемам фотобеливания флюорофора. Фотообеливание - это название для уничтожения флюорофоров высокоинтенсивным светом.
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 работает, истощая флуоресценцию в определенных областях образца, оставляя центральное очаговое место, активное для излучения флуоресценции. Эта фокусная область может быть спроектирована путем изменения свойств плоскости зрачка объективной линзы. Наиболее распространенным ранним примером этих дифракционных оптических элементов, или DOE, является форма тора, используемая в двухмерном боковом ограничении, показанном ниже. Красная зона исчерпана, в то время как зеленая остается активной. Этот DOE генерируется круговой поляризацией лазера истощения в сочетании с оптическим вихрем. Боковое разрешение этого DOE обычно составляет от 30 до 80 нм. Однако были сообщены значения до 2,4 нм. При использовании различных DOE показано осевое разрешение порядка 100 нм. Модифицированное уравнение Аббе описывает это субдифракционное разрешение как: где индекс преломления среды, где интенсивность внутрикавитации и где интенсивность насыщения. Где коэффициент насыщения, выражающий отношение применяемой (максимальной) интенсивности STED к интенсивности насыщения. Для оптимизации эффективности STED разрушительные помехи в центре очагового пятна должны быть максимально приближены к совершенству. Это накладывает определенные ограничения на оптику, которая может быть использована.
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.
Цветы
В начале разработки STED количество красителей, которые можно было использовать в процессе, было очень ограниченным. Родамин В был назван в первом теоретическом описании STED. В результате первыми красителями стали лазерные, излучающие красный спектр. Для проведения анализа биологических систем по методу STED красители и источники лазера должны быть адаптированы к системе. Это желание лучшего анализа этих систем привело к STED живых клеток и многоцветным STED, но также потребовало все более и более продвинутых красителей и систем возбуждения для обеспечения повышенной функциональности. и желтого излучающего цвета, Atto 590, а также дополнительных красителей с красным излучением. Кроме того, Atto 647N впервые был использован с этим методом для производства двухцветных STED.
Приложения
За последние несколько лет STED превратился из сложной и очень специфической техники в общий метод флуоресценции. В результате был разработан ряд методов, позволяющих расширить полезность STED и предоставить больше информации.
Структурный анализ
С самого начала процесса STED позволил флуоресцентной микроскопии выполнять задачи, которые были возможны только с использованием электронной микроскопии. В качестве примера STED использовался для выяснения анализа структуры белка на уровне подорганинок. Общим доказательством этого уровня исследований является наблюдение за цитоскелетными нитями. Кроме того, нейрофиламенты, актин и тубулин часто используются для сравнения разрешающей способности STED и конфокальных микроскопов. При использовании STED удалось достичь бокового разрешения 70 90 нм при исследовании SNAP25, человеческого белка, который регулирует мембранный синтез. Это наблюдение показало, что SNAP25 формирует кластеры независимо от функциональности мотива SNARE и связывается с кластерным синтаксином. Исследования сложных органелл, таких как митохондрии, также получают пользу от микроскопии STED для структурного анализа. Используя специально разработанные STED-микроскопы с боковым разрешением менее 50 нм, было обнаружено, что митохондриальные белки Tom20, VDAC1 и COX2 распределяются как наномасштабные кластеры. В другом исследовании использовали домашнюю микроскопию STED и флуоресцентный краситель, связывающий ДНК, измеряя длины фрагментов ДНК гораздо более точно, чем обычное измерение с помощью конфокальной микроскопии.
Коррелятивные методы
Благодаря своей функции, микроскопия STED часто может использоваться с другими методами высокого разрешения. Разрешение как электронной, так и атомной силовой микроскопии даже лучше, чем разрешение STED, но путем объединения атомной силы с STED, Shima et al. В ходе исследования ученые смогли визуализировать актинный цитоскелет раковых клеток яичников человека, наблюдая изменения в клеточной жесткости.
Многоцветная
Многоцветный STED был разработан в ответ на растущую проблему использования STED для изучения зависимости между структурой и функцией в белках. Для изучения такого типа сложной системы необходимо использовать по меньшей мере два отдельных флюорофора. Используя два флуоресцентных красителя и пары пучков, возможно колокализованное визуализация кластеров синаптических и митохондриальных белков с разрешением до 5 нм [18]. Многоцветный STED также использовался для показания того, что различные популяции белков синаптических везикулов не смешивают спасательные синаптические бутонны. Используя двухцветные STED с многократным обработкой изображений, возможен трехканальный STED.
Живые клетки
Сначала считалось, что СТЭД - это полезная техника для работы с живыми клетками. Однако только флуоресцентные белки обеспечивают способность визуализировать любую органеллу или белок в живой клетке. Этот метод был показал, что работает при 50 нм боковом разрешении в цитриновых тубулиноэкспрессирующих клетках млекопитающих. В дополнение к обнаружению структур в клетках млекопитающих, STED позволил визуализировать кластерирование белков PIN с маркировкой YFP в плазменной мембране растительных клеток. Недавно было проведено многоцветное исследование STED живых клеток с использованием импульсного красного лазера и экспрессии тегов CLIPf и SNAPf.
В мозге неповрежденных животных
Поверхностные слои коры мыши могут быть повторяемо изображены через окно черепа. Это позволяет отслеживать судьбу и форму отдельных дендритных шипов в течение многих недель. С двуцветным STED даже можно разрешить наноструктуру постсинаптической плотности у живых животных.
STED на видео скорости и выше
Супер разрешение требует небольших пикселей, что означает больше пространств для получения из данного образца, что приводит к более длительному времени получения. Однако размер очагов зависит от интенсивности лазера, используемого для истощения. В результате, размер пятна может быть настроен, изменяя размер и скорость изображения. Затем можно достичь компромисса между этими двумя факторами для каждой конкретной задачи визуализации. Были зарегистрированы скорости 80 кадров в секунду с фокусными точками около 60 нм. До 200 кадров в секунду может быть достигнуто для небольших полей обзора.
Проблемы
Фотообеливание может происходить либо от возбуждения в еще более высокое возбужденное состояние, либо от возбуждения в тройном состоянии. Чтобы предотвратить возбуждение возбужденного электрона в другое, более высокое возбужденное состояние, энергия фотона, необходимая для запуска альтернативного излучения, не должна перекрывать энергию возбуждения из одного возбужденного состояния в другое. Это гарантирует, что каждый лазерный фотон, который контактирует с флюорофорами, вызовет стимулированное излучение, а не заставит электрон возбуждаться в другое, более высокое энергетическое состояние. Трехмерные состояния живут намного дольше, чем одномерные, и чтобы предотвратить возбуждение трехмерных состояний, время между лазерными импульсами должно быть достаточно длинным, чтобы позволить электрону расслабиться с помощью другого метода гашения, или химическое соединение должно быть добавлено для гашения трехмерного состояния.