Говоря о фиксации
M. Halit Umar
В этой статье мы намерены найти ответ на фундаментальный вопрос микроскопии; это относится к процессу, называемому «фиксацией». Когда и зачем нужна фиксация клеток или тканей перед микроскопическим исследованием? И как мы можем добиться оптимальной фиксации? Эти вопросы часто задают.
Тема фиксации и сохранения является крупной научной темой в методологии микроскопии и касается многих аспектов жизненного состояния и природы фиксируемых организмов. Фиксация живых клеток и тканей просто означает немедленную остановку жизненных процессов, происходящих внутри и вокруг них. Время замирает для живых существ после фиксации.
Любая фиксация также должна быть средством сохранения на длительное время, иначе она может привести к распаду структур, что, конечно, не является нашей целью.
Большинству из нас, как микроскопистов-любителей, нравится изучать клетки/ткани различного происхождения в их естественной среде и в живом состоянии. Капля прудовой воды – это миниатюрная копия пресноводного бассейна, в котором обитает множество организмов. Когда такой материал берется и изучается под микроскопом, мы наблюдаем живые организмы в их естественной среде; поэтому мы говорим о in vivo и in situ микроскопии. Высушим каплю и еще раз понаблюдаем. Дальнейшее движение не происходит. Живые организмы уже не живы, они навсегда закреплены на предметном стекле. Их прозрачность также снижается. Это пример сушки и фиксации при температуре окружающей среды. Замораживание или более высокие температуры физически действуют как фиксирующий агент. Тепло, производимое пламенем, например, является хорошо известным методом фиксации в бактериологии.
Другой способ фиксации — так называемая «химическая фиксация». В зависимости от физиологического состояния клеток/тканей, подлежащих фиксации, в прошлые века были определены многочисленные химические фиксаторы, и методы все еще совершенствуются. Очевидно, что разные типы клеток/тканей можно обрабатывать разными видами фиксаторов для достижения хорошего консервирующего эффекта. Организм из соленой воды (скажем, океана), вероятно, нельзя зафиксировать раствором, наиболее подходящим для организмов прудовых вод. А клетки животных не имеют клеточных стенок, в отличие от клеток растений и грибов. Любой фиксатор последнего должен пройти сквозь стенку, чтобы зафиксировать клеточные структуры, органеллы, находящиеся за ней.
Из многих химических фиксаторов, которые до сих пор используются, ни один из них не идеален, но является приближенным к оптимальным условиям для сохранения. Следующие изображения продемонстрируют нам, что один и тот же материал, в данном случае водоросли, собранные из воды пруда, после фиксации реагирует совершенно по-разному. Я использовал смесь формальдегида и глутарового альдегида в фосфатном буфере. Этот повседневный фиксатор используется как для световой, так и для электронной микроскопии, и его действие было доказано как оптимальное для клеток животных, растений и грибов. Насколько я могу искать в английских ссылках, это еще не применяется к пресноводным организмам, как показано ниже.
Одним из преимуществ фиксации является то, что она позволяет встраивать материал в различные виды матриц, таких как парафин или пластик, и нарезать его тонкими срезами. Большинство изображений, которые я представляю ниже, получены из материала, залитого в GMA (метакрилат гликоля; пластиковая матрица для заливки) и вырезанного толщиной 3 микрометра.
Первые три изображения иллюстрируют особенности свежесобранной спирогиры ( нитчатой водоросли) при световой микроскопии. Перед микроскопией не проводилось ни фиксации, ни окрашивания; следовательно, это in vivo исследования, так как жизненные процессы этих организмов продолжаются некоторое время, пока не испарится вода и, следовательно, материал не высохнет. В настоящее время мы принимаем, что жизнь существует только в присутствии воды. Извлечение воды из тканей и клеток — это процесс, называемый «обезвоживанием». Обезвоживание может быть достигнуто с помощью таких методов, как нагревание или использование обезвоживающих агентов, таких как спирты. Дегидратация приводит к остановке молекулярного механизма внутри клеток и необратимым изменениям молекулярных структур, включающих различные клеточные компоненты, включая клеточные мембраны и стенки. Конечным эффектом обезвоживания является гибель клеток за счет увеличения проницаемости клеточных мембран.
Многие заинтересованные читатели ответили и задали вопросы о формулах фиксаторов и растворов красителей, которые я использовал, что отражено в моих микрофотографиях. В качестве общего ответа на вопросы к этой статье прилагается документ в формате pdf , содержащий техническую информацию.
Микроволновая обработка биологического материала обеспечивает в первую очередь молекулярную стабилизацию, а затем значительно увеличивает транспортировку фиксирующих молекул вглубь образца. Помните, что при нашем использовании мы НЕ собираемся готовить образцы! Я уверен, что большинство микроскопистов-любителей откроют для себя способы применения СВЧ-печей, поскольку они легко доступны для нас.
Используйте большие стеклянные бутылки для облучения жидкостей. Не наполняйте, а держите их наполовину пустыми. Очень важно использовать гораздо более низкую мощность, чем обычно, или даже самую низкую мощность (обычно 800 Вт — самая высокая для бытовых микроволновых печей, а 80 Вт — самая низкая) в течение 15 минут. Но не варить! Если ваша печь MW оснащена датчиком температуры, установите его на 30°C для автоматического контроля. Я использую такую МВ-духовку и стеклянные коробки объемом 200 мл. Затем его заполняют фиксирующим раствором около 100 мл. Образец для фиксации помещают в него и нагревают в микроволновой печи в течение 1 часа при минимальной мощности или температуре. контрольная установка на 30°C. Во всей своей работе за последние 10 лет я применял исключительно эту форму химической фиксации (см. все микрофотографии, представленные в моих предыдущих статьях в Micscape) как для свето-, так и для электронно-микроскопической фиксации. Ниже,если ваша микроволновая печь не имеет низкоэнергетического режима (например, 20 % от полной мощности), пожалуйста, НЕ проводите пробную фиксацию! Микроволны производят огромное количество тепла во многих веществах и в течение нескольких секунд после запуска! Еще раз обратитесь к инструкциям производителя по техническим причинам и соображениям безопасности.
В последние десять лет новый способ фиксации, а именно « микроволновая печь », становится все более привлекательным. В настоящее время микроволновые печи обычно используются на современных кухнях. У нас есть хороший шанс закрепить наш материал с помощью таких бытовых МВ-печей. (См. сноску по технике безопасности и соблюдайте меры предосторожности производителя ). Я тщательно экспериментировал с фиксацией и окрашиванием в СВЧ-печах более 10 лет на широком спектре материалов и образцов. Это работает просто, ЕСЛИ ВЫ ЗНАЕТЕ , что делаете с этой машиной.
Хочу обратить ваше внимание на влияние температуры на фиксацию. Чем выше температура, тем быстрее происходят химические процессы связывания и проникновения фиксатора. Но мы должны принять во внимание, что более высокие температуры могут вызвать более высокую внутреннюю ферментативную активность внутри клеток/тканей, что повреждает микроскопические структуры. Поэтому для определенных целей предпочтительны низкие температуры от 0°C до 4°C. В научных целях химический состав фиксаторов, содержащиеся в них буферы, pH и осмолярность определяют желаемые результаты. Для нас, микроскопистов-любителей, я должен сказать, что фиксации при температуре окружающей среды было бы достаточно.
Для химической фиксации должен быть компромисс. Решение с меньшим негативным воздействием на клетки и ткани может быть достигнуто за счет использования альдегидов, таких как формальдегид и/или глутардиальдегид. Водный 4% раствор формальдегида является практически универсальным фиксатором. Если его заменить глутардиальдегидом, он работает как полезный фиксатор как для световой, так и для электронной микроскопии (см. Приложение). Конечно, рН и осмолярность являются аспектами фиксатора, для которых исследователи должны усовершенствовать свой рабочий раствор .
Если вы применяете метод химической фиксации и ваш фиксатор содержит спирт, вы должны ожидать видимых деформаций из-за сильной усадки, вызванной обезвоживанием клеток. Уменьшение общего размера на 10-30% не является чем-то необычным! Если ваш фиксатор содержит ионы тяжелых металлов, таких как цинк (Zn 2+ ) или ртуть (Hg 2+ ), они могут коагулировать и осаждать белки в гранулированной форме. Дубильные вещества, мышьяк, детергенты и кислоты могут быть компонентами фиксатора (особенно в формулах старых добрых времен!), и их вредное воздействие зависит от концентрации и продолжительности фиксации. Тем не менее, многие из них до сих пор оказываются очень полезными и даже уникальными в некоторых конкретных условиях. Например, осмиевая кислота (OsO 4) является идеальным фиксатором жировых веществ и предпочтительнее в качестве вторичного фиксатора образцов для электронной микроскопии. К сожалению, осмиевая кислота и некоторые другие фиксаторы чрезвычайно токсичны и должны быть доступны и безопасно использоваться только в профессиональных лабораториях.
Существует особая группа красителей – витальные красители, которые способны проникать через клеточную мембрану живых клеток/организмов, поскольку обладают липофильным свойством. Некоторые из них связываются со специфическими участками, такими как митохондрии, в цитоплазме in vivo , отсюда и витальное окрашивание. Обычно они используются в очень разбавленных концентрациях, чтобы избежать любого взаимодействия между живым состоянием и самим пятном. В конечном счете, каждое жизненно важное окрашивание может привести к порче клеток, особенно при более высокой концентрации. Замечательный отчет о жизненно важных пятнах написанный Ричардом Л. Хоуи, можно найти в библиотеке Micscape. Витальные красители, попадая в клетку или ткань, вызывают видимые изменения. Если клетки фиксированы и таким образом убиты, проницаемость их мембран увеличивается; многие агенты могут легко проникать в клетки, а многие структурные молекулы также могут покидать клетки и ткани. Некоторые фиксаторы вызывают быструю, а иногда и чрезмерную потерю таких структурных компонентов. Следовательно, фиксированные клетки или ткани при фиксации претерпевают необратимые изменения.
Примечание по технике безопасности : Для безопасного обращения с химическими веществами необходимо приобрести и использовать специальную печь MW с малой мощностью или функциями регулирования температуры. Ни в коем случае нельзя использовать микроволновую печь, используемую для химической обработки, для приготовления пищи.
Некоторые интересные ссылки:
Буферы и химические вещества в гистологии: http://www.emsdiasum.com/ems/chemicals/buffers.html
Подготовка мазков и простое окрашивание: http://www.gpc.peachnet.edu/~ddonald/biolab/smearstain.htm
Почти все о микроскопии и окрашивании: http://www.phage.org/black03.htm
http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/indexmag.html?http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/artoct00/fixation.html
http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/indexmag.html?http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/artdec00/fixation2.html
