CN104215580B - 用于冷冻光电关联显微成像的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于冷冻光电关联显微成像的方法和装置，具体涉及将冷冻光镜与冷冻透射电镜进行关联成像，包括用于光学‑电子显微关联成像的光学显微镜冷冻载物台装置和相应的关联成像方法。可实现在极低温下(低于‑170℃)进行光学显微成像，并能实现对同一样品的相同区域进行冷冻电子显微成像。本发明可广泛应用于将各种类型倒置光学显微镜和市面上大多数透射电镜关联起来，能够更快捷和精确实现关联成像、最大程度上避免样品表面冰晶形成、载网变形及碳膜破裂等问题。可广泛用于细胞生物学、神经生物学、生物医药等相关研究。

Description

用于冷冻光电关联显微成像的方法和装置

技术领域

本发明涉及显微成像的设备与方法，具体涉及光学显微与电子显微的关联成像，特别是将冷冻光镜与冷冻透射电镜进行关联成像，包括用于光学-电子显微关联成像的光学显微镜冷冻载物台装置和相应的关联成像方法。

背景技术

冷冻光电关联显微成像：一种能够在极低温度下(-170℃以下，能够保持样品在接近生理状态下的精细结构信息)实现对有光学探针标记的样品进行光学显微检测，并能对该样品的同一区域进行高分辨电子显微成像检测的技术。冷冻光电关联显微成像结合了现代荧光显微成像与冷冻电子显微成像的优势，弥补了两者之间的不足，在基础科学研究和临床医药领域都有着巨大的应用前景，如临床病理样品诊断和药物追踪与作用机制研究等方面。

这就需要一套装置能够将冷冻电镜样品在光镜下进行成像，并能够安全地将样品由光镜平台转移到冷冻电镜平台中；以及相应的关联方法快速精确地对成像区域进行共定位。目前国际上已有报道的冷冻关联平台主要有以下几种：美国匹兹堡大学章佩君课题组开发了一套简易的冷冻关联平台，可以将FEI公司Polara型电镜的cartridge型样品夹连同样品载网一起放入冷冻关联平台，进行光镜成像，随后将完成光镜成像的cartridge型样品夹转移到Polara型冷冻电镜中进行成像。该系统存在的问题有：在冷冻光镜成像过程中，样品暴露在空气中，导致样品容易被冰晶污染；cartridge较小，仅靠自身重力与冷冻关联平台贴合，在冷冻条件下稳定性较差，导致样品在成像过程中抖动较大；仅适用于FEI公司Polara型号电镜，可推广使用范围较小。另有德国马克斯·普朗克研究所WolfgangBaumeister课题组和荷兰莱顿大学Abraham J.Koster课题组等各自开发的冷冻关联平台采用自制的样品夹承载电镜样品载网，在完成冷冻光镜成像后，需要将样品载网从样品夹中取出，再转移到相应电镜的样品夹或样品杆中，随后再转移到冷冻电镜中进行成像，这导致样品载网需要被多次转移：一方面，多次转移加大了关联难度；另一方面，冷冻样品反复暴露在空气中和沸腾的液氮中，使得样品极易因冰晶污染、载网变形和碳膜破碎而无法继续使用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种能够实现光学显微镜与冷冻电镜关联成像的冷冻样品光镜载物台装置，同时提供了相应的关联成像方法。可实现在极低温下(低于-170℃)进行光学显微成像，并能实现对同一样品的相同区域进行冷冻电子显微成像。本发明可广泛应用于将各种类型倒置光学显微镜和市面上大多数透射电镜关联起来，能够更快捷和精确实现关联成像、最大程度上避免样品表面冰晶形成、载网变形及碳膜破裂等问题。可广泛用于细胞生物学、神经生物学、生物医药等相关研究。

具体而言，本发明涉及以下各项：

1.一种光镜冷冻载物台装置，其特征在于所述装置包括载物台主体1，所述主体中设置有冷却室2，冷却室中间设置有光通道3，所述光通道3顶部形成明场光光源放置位置4，底部形成物镜镜头放置位置5，围绕所述光通道3，冷却室2底部设置样品杆卡槽6，所述样品杆卡槽6中间设置通孔，并且所述通孔向载物台主体外侧延伸形成冷冻样品杆入口7。

2.根据1所述的装置，所述载物台主体上还包括与冷却室2连通的液氮入口8和液氮和氮气出口9。

3.根据1所述的装置，所述明场光光源放置位置4和物镜镜头放置位置(5)中间均设置有玻片。

4.根据1所述的装置，所述载物台主体上还设置有除雾氮气入口10，并分成上玻片除雾氮气出口11和下玻片除雾氮气出口12。

5.根据1所述的装置，所述冷却室2内设置热敏感电阻探头，外部连接到温度监视器，构成了温度监视组件13。。

6.根据1所述的装置，所述冷却室2与样品杆卡槽6为一整体黄铜构件。

7.利用1-6所述光镜冷冻载物台装置，光电关联成像的方法，包括以下步骤：

1)光学显微成像时，分别采集同一区域的明场照片和荧光照片，利用明场光镜照片中载网索引号，在电镜低倍模式下，迅速定位到同一载物方格，并采集该方格的低倍电镜照片；

2)在光镜照片中均匀选取多个清晰可见碳膜小孔的中心，同时选取电镜照片中相对应碳膜小孔的中心点，利用线性拟合算法，达到高精度关联；

3)选取成像区域，并生成电镜坐标文件；

4)采集电镜数据。

8.根据7所述的方法，所用载网为透射电镜坐标载网并覆盖有周期性穿孔碳膜。

9.根据7所述的方法，在步骤1)和2)之间，还可以包括将光镜照片与电镜低倍照片利用IMOD Midas软件进行初步关联的步骤。

10.根据7所述的方法，在步骤2)和3)之间，还可以包括对电镜低倍成像模式和高倍成像模式下坐标进行再校正的步骤。

发明详述

本发明主要包括光镜冷冻载物台装置和相应的关联成像方法。

本发明的光镜冷冻载物台装置是一套能够将侧插式冷冻透射电镜样品杆放入到光学显微镜平台上进行冷冻光学显微成像的承载装置。

本发明的主要技术方案是将电镜样品杆应用到冷冻光镜成像中，目前大部分透射电镜使用的冷冻样品杆，以Gatan 626型样品杆为例，采用滑盖式样品仓设计，即将冷冻样品放入到样品杆中后，在不成像时，可将样品密封到很小的空间内，保证了样品不受外界环境影响，同时可维持样品处于稳定低温状态。将冷冻电镜样品杆应用到冷冻光镜成像中能够很好保护样品不受冰晶污染，稳定性好，容易上样等优势，同时避免了样品的多次转移。另外，样品相对于冷冻样品杆位置相对固定，可快速实现对样品的光镜与电镜的共定位。

本发明的光镜冷冻载物台装置主要由载物台主体、液氮泵入组件、温度监视组件和除雾组件四部分组成。

载物台主体的设计主要是能够与所用光学显微镜和冷冻电镜的样品杆进行匹配，总体要求载物台主体能够很好地放入到光镜的载物平台中并能很好地固定；电镜的样品杆能够从侧面插入到载物台主体中，并能够很好地固定和密封。

液氮泵入组件：能够稳定持续将液氮泵入到载物台主体的冷却室中，用于维持样品始终处于极低的温度下(低于-170度)。本发明中采用气压方式，将液氮从密封液氮罐中采用恒压压出，保证了液氮流出的稳定性，减少成像过程中的震动。

温度监视组件：用于实时监控样品的温度，以确保样品不会因回温而被破坏。

除雾组件：在成像过程中，确保载物台上下观察窗不会结霜而影响到成像质量。

具体而言，本发明所描述的光镜冷冻载物台装置如图1所示，载物台主体1内以保温泡沫填充，外壳为耐低温塑料与铝合金材料；载物台下部设置有凹槽，可嵌套光学显微镜物镜，在凹槽顶部为物镜镜头放置位置5，其中间位置为玻片，所述物镜镜头放置位置5正上方的载物台顶部设置有明场光光源放置位置4，中间位置为玻片，从而在物镜镜头放置位置5和明场光光源放置位置4之间形成光通道；环绕该光通道设置黄铜材质的样品杆卡槽6，用于固定冷冻样品杆头部以及冷传导；样品杆卡槽6中间设置通孔，并且所述通孔向载物台主体外侧延伸形成冷冻样品杆入口7；样品杆卡槽6外周是与其合为一体的冷却室2，用于存储冷却用液氮；从该冷却室上端向载物台外侧延伸设置两个通孔，分别为液氮入口8以及液氮和氮气出口9，所述液氮入口8外部连接到液氮泵入组件，所述液氮和氮气出口9用于维持冷却室内恒压；在载物台主体上端的明场光光源放置位置4和载物台主体下端的物镜镜头放置位置5分别设有除雾氮气出口11和12，两者汇合则为除雾氮气入口10，外部连接到干燥氮气；在冷却室2内部设置有热敏感电阻探头，外部连接到温度监视器，构成了温度监视组件13，用于实时监视冷却室内温度。

当使用该光镜冷冻载物台装置时，根据附图2，将光镜冷冻载物台放置于倒置荧光显微镜载物台上并固定；将物镜镜头14和明场光光源15分别放置到相应位置；并将冷冻样品杆入口用堵头16进行密封。

在对光镜冷冻载物台进行冷却稳定后，将装有冷冻样品的冷冻样品杆17放入到光镜冷冻载物台，开始进行成像实验，如附图3所示，其中18为液氮。

关联成像方法：

目前，一般的关联方法采用肉眼比对关联，关联精度较低，通常在2um左右，并且关联起来较为困难，出错率较高；而为了达到高精度关联，通常会在冷冻制样时，添加光镜和电镜下均可见的荧光小球。采用荧光小球进行关联，可达到很高的关联精度。但同时存在诸多问题，如果所加荧光小球与样品所标记的荧光在同一个荧光通道，荧光小球远远比样品荧光信号强，导致成像时样品的荧光信号被掩盖；如果所添加荧光小球与样品标记荧光不在同一通道，则由于存在色差，导致关联存在系统偏差。此外，荧光小球直径在200nm左右，这样在随后电镜成像时会遮挡很多样品信息。

本发明提出了一种直接利用特型透射电镜坐标载网上周期性穿孔碳膜进行高精度关联的方法。

1)光学显微成像时，分别采集同一区域的明场照片和荧光照片，利用明场光镜照片上载网索引号，在电镜低倍成像模式下，迅速定位到同一载物方格(square)，并采集该方格的低倍电镜照片

2)利用IMOD Midas软件(http://bio3d.colorado.edu/imod/)，将光镜照片(明场照片和荧光照片)与电镜低倍照片进行初步关联，关联精度在2个微米范围内。

3)随后在光镜照片中均匀选取多个(一般15-20个)清晰可见碳膜小孔的中心，同时选取电镜照片中相对应碳膜小孔的中心点，利用线性拟合算法，以达到高精度关联；

4)电镜低倍成像模式和高倍成像模式下坐标进行校正，电镜成像的低倍和高倍存在很大的相变和相移，为达到高精度关联，需对低倍和高倍成像模式下的坐标进行再校正；

5)根据荧光照片，选取成像区域，并生成电镜坐标文件；

6)将坐标文件导入电镜控制电脑，一一采集相应电镜数据；

7)关联精度分析：

关联精度σ计算满足：

其中n为所选取的碳膜小孔的个数，δ是选取每个碳膜小孔中心的偏移距离的残差，一般小于3个像素大小，p为图片的像素大小。

根据一般选取20个碳膜小孔中心，图片的像素大小为60纳米，则最终的关联精度约为44纳米。

本发明提供的新型光电关联装置和关联方法具有以下优点和积极效果：

光镜冷冻载物台可与各类侧插式样品杆配套使用，目前大部分透射电镜均采用侧插式样品杆，因此可广泛适用于将各种类型倒置光学显微镜与透射电子显微镜进行关联成像(包括美国FEI公司、日本电子株式会社JEOL等现有的大多数透射电镜)。

在冷冻光镜成像过程中，样品处于密封环境，大大降低了冰晶的形成。

将冷冻电镜样品杆应用到冷冻光镜成像中，充分利用了冷冻样品杆能够很好保护样品的特性:大大降低了冰晶污染，载物变形和碳膜破裂等问题。

提出了直接利用特型电镜载网上周期性穿孔碳膜进行高精度关联的方法，在不额外添加荧光小球的情况下，即可实现高精度关联。

本发明除了可以快捷精确实现冷冻条件下的关联显微成像，同时适用于常温下的关联显微成像，既在不通液氮的情况下，可利用常温样品杆进行常温关联显微成像，如组织或细胞切片等样品。

附图说明

图1.光镜冷冻载物台结构图。

1载物台主体，2冷却室，3光通路，4明场光光源放置位置，5物镜镜头放置位置，6样品杆卡槽，7冷冻样品杆入口，8液氮入口，9液氮与氮气出口，10除雾氮气入口，11上玻片除雾氮气出口，12下玻片除雾氮气出口，13温度监测组件

图2.光镜冷冻载物台预工作状态结构图。

14光学显微镜物镜镜头，15明场光光源，16密封堵头

图3.光镜冷冻载物台工作状态结构图。

17冷冻样品杆，18液氮

图4.冷冻光电关联显微成像示例：根据冷冻光镜图像，在冷冻电镜中快速定位到同一载网方格。

A)冷冻光镜明场照片，图中所示载网索引号为‘I’；B)同一区域的冷冻光镜荧光照片；C)包含同一载网方格的低倍冷冻电镜照片；A,B,C)中白色矩形方格所标记的为同一载网方格。D)对C中该载网方格进一步放大后的低倍电镜照片。

图5.初步关联结果。

A)低倍电镜照片；B)与低倍电镜照片初步关联后的光镜明场照片；C)与低倍电镜照片初步关联后的光镜荧光照片。A,B)中圆环为分别选取的一一对应的碳膜小孔，用于高精度关联。A)中圆环同时用于后期的电镜坐标校正。A,B,C)中白色方框为样品的同一区域，C)中方框区域再放大即为图6的电镜图像。

图6.高精度关联结果：对图5进行精细关联后，并将低倍电镜照片与荧光照片进行叠合的局部放大图。图中方框1和2为根据PSD95-EGFP荧光信号，所标记进行电子断层扫描成像的区域，对应为图7。

图7.最终关联结果：将荧光图像与图6中所选区域的电子断层扫描三维重构结果的单张虚拟切片进行叠合的结果。

具体实施方式

利用冷冻光电关联显微成像技术解析离体培养神经突触超微结构

1)制备好具有荧光标记的冷冻电镜样品：从饲养的大鼠的胎鼠的大脑中解离出海马神经细胞，将其培养在NH2 R2/2型坐标金载网(德国Quantifoil公司)上，并转染带有绿色荧光蛋白标签的突触特异性蛋白PSD95(Cell Biolabs公司)，采用快速侵入式冷冻法将样品冷冻固定，储存在液氮罐中待用。

2)冷冻光镜成像平台准备：将本发明的光镜冷冻载物台固定到倒置荧光显微镜载物台中(本发明采用的是奥林巴斯IX71显微镜并配备PriorProScan III电动载物台)；连接液氮泵入组件到液氮入口8；液氮和氮气出口9连接到耐低温敞口容器；除雾氮气接口10连接到干燥氮气；接通温度监视组件13；将物镜镜头14和明场光光源15依次放入到物镜镜头放置位置5和明场光光源放置位置4。

3)从样品杆入口7通入干燥氮气5分钟以清除样品室内的水分，随后将密封堵头16插入到样品杆入口处密封；打开除雾氮气开关，经除雾氮气接口将干燥氮气通入；2分钟后，打开液氮阀门，将液氮18通入到冷却室2中。

4)同时利用Gatan 626型冷冻样品杆(美国Gatan公司)配套的冷冻样品杆传输台，将制备好的冷冻电镜样品转移到冷冻样品杆中；待冷冻载物台内温度稳定在-195度以下后，快速将冷冻样品杆17转移到冷冻载物台中；5分钟后，打开显微镜光源，并打开冷冻样品杆样品保护盖，进行成像。

5)选取成像区域，采集同一区域的明场照片(图4A)和荧光照片(图4B)；选择多个区域并依次进行成像。

6)成像完成后，关闭冷冻样品杆样品保护盖，再次利用冷冻样品杆传输台，迅速将冷冻样品杆转移到冷冻电镜中(本发明中使用的是FEI公司Tecnai F20冷冻电镜)。

7)在电镜低倍成像模式下，根据光镜明场照片(图4A)中载网上的索引号‘I’，快速定位到光镜下所拍摄的同一载网方格，拍摄包含该方格的低倍电镜照片(图4C、D)。

8)初步关联：将同一区域的低倍电镜照片(图4D)、明场照片(图4A)和荧光照片(图4B)合成一个MRC文件；用Midas软件打开后，通过翻转、旋转、平移和缩放等操作将明场照片和荧光照片与低倍电镜照片初步对齐，得到初步关联结果(图5)。

9)高精度关联：随后在初步关联后的光镜照片(图5B)中均匀标记出15个碳膜小孔的中心点，同时选取电镜照片(图5A)中相对应碳膜小孔的中心点，利用线性拟合算法对光镜照片进行变化，从而得到高精度关联结果(图6)。

10)电镜坐标校正：在低倍电镜照片(图5A)中均匀标记15个碳膜小孔的中心点，在电镜高倍成像模式下，依次找到这些中心点的实际坐标，将低倍照片下选取的碳膜小孔的中心点与高倍下的实际坐标一一对应，然后利用线性拟合算法对低倍电镜照片进行坐标变化，从而对低倍电镜照片进行实际坐标赋值。

11)在精细关联后的图像(图6)中根据荧光点所在的位置，选取成像区域，并生成电镜坐标文件，如FEI公司电镜的.st坐标文件格式。

12)将坐标文件导入到电镜控制系统中，依次对这些区域进行电子断层扫描成像，最终可获得与荧光图像共定位的神经突触超微结构的高分辨电镜图像(图7)。

Claims (10)

1.一种光镜冷冻载物台装置，其特征在于所述装置包括载物台主体(1)，所述主体中设置有冷却室(2)，冷却室中间设置有光通道(3)，所述光通道(3)顶部形成明场光光源放置位置(4)，底部形成物镜镜头放置位置(5)，围绕所述光通道(3)，在冷却室(2)底部设置样品杆卡槽(6)，所述样品杆卡槽(6)中间设置通孔，并且所述通孔向载物台主体外侧延伸形成冷冻样品杆入口(7)，所述样品杆卡槽(6)中放置冷冻样品杆(17)，所述冷冻样品杆为冷冻电镜样品杆。

2.根据权利要求1所述的装置，所述载物台主体上还包括与冷却室(2)连通的液氮入口(8)和液氮和氮气出口(9)。

3.根据权利要求1所述的装置，所述明场光光源放置位置(4)和物镜镜头放置位置(5)中间均设置有玻片。

4.根据权利要求1所述的装置，所述载物台主体上还设置有除雾氮气入口(10)，并分成上玻片除雾氮气出口(11)和下玻片除雾氮气出口(12)。

5.根据权利要求1所述的装置，所述冷却室(2)内设置有热敏感电阻探头，外部连接到温度监视器，构成了温度监视组件(13)。

6.根据权利要求1所述的装置，所述冷却室(2)与样品杆卡槽(6)为一整体黄铜构件。

7.利用权利要求1-6中任一项所述光镜冷冻载物台装置进行光电关联成像的方法，包括以下步骤：

1)光学显微成像时，分别采集同一区域的明场照片和荧光照片，利用明场光镜照片中载网索引号，在电镜低倍模式下，迅速定位到同一载物方格，并采集该方格的低倍电镜照片；

2)在光镜照片中均匀选取多个清晰可见碳膜小孔的中心，同时选取电镜照片中相对应碳膜小孔的中心点，利用线性拟合算法，达到高精度关联；

3)选取成像区域，并生成电镜坐标文件；

4)采集电镜数据。

8.根据权利要求7所述的方法，所用载网为透射电镜坐标载网并覆盖有周期性穿孔碳膜。

9.根据权利要求7所述的方法，在步骤1)和2)之间，还包括将光镜照片与电镜低倍照片利用IMOD Midas软件进行初步关联的步骤。

10.根据权利要求7所述的方法，在步骤2)和3)之间，还包括对电镜低倍成像模式和高倍成像模式下坐标进行再校正的步骤。