CELL PROTOCOL
整理自澳大利亚莫纳什大学(Monash University)Ramaciotti 电镜中心公开方案(protocols.io, DOI: 10.17504/protocols.io.n92ldmeq7l5b/v1)
体电子显微学(Volume Electron Microscopy,vEM)可实现生物样品纳米级三维成像。其中,聚焦离子束-扫描电镜(FIB-SEM)结合离子束逐层微米级切削与高分辨率背散射电子(BSE)成像,在 Z 轴方向具有极高分辨率。针对贴壁细胞与悬浮细胞样品,操作者必须在树脂包埋前完成整块高浓度重金属染色(OTO 法)。
本方案整理自莫纳什大学电镜中心公开的实验操作规程,详细记录了利用 PELCO BioWave® Pro+ 系统的微波与真空辅助功能完成细胞初级固定、低熔点琼脂糖预包埋、锇酸后固定、TCH 桥联、铀铅多重块染、梯度脱水、树脂渗透及修块上机的全部操作步骤与仪器设定参数。
主要仪器与配件
• 微波组织处理系统:PELCO BioWave® Pro+,配备真空室与 ColdSpot® 循环水冷温控系统;
• 切片与修块系统:超薄切片机,配玻璃刀、修块钻石刀;
• 表面导电喷镀仪:高真空溅射镀膜仪;
• 成像系统:聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM),配备气体注入系统(GIS)及背散射电子(BSE)探测器。
主要试剂与材料
• 初级固定液:Karnovsky 固定液(2% 多聚甲醛 + 2.5% 戊二醛,0.1 M 二甲胂酸钠缓冲液,pH 7.4);
• 细胞聚集载体:4% 超纯低熔点琼脂糖水溶液(融化温度 ≥ 90°C,凝固点 32.5~38°C);
• 重金属染色试剂:四氧化锇(OsO4)、亚铁氰化钾(K4[Fe(CN)6])、硫代卡巴肼(TCH)、乙酸双氧铀、Walton 氏天冬氨酸铅;
• 脱水剂:梯度乙醇(25%、50%、75%、90%、100%)、无水丙酮、3Å 分子筛;
• 包埋基质:高硬度 Hard Epon 环氧树脂配方。
细胞初级固定
• 贴壁细胞:去除培养基,加入 Karnovsky 固定液,室温固定 2 小时或置于 4°C 摇床过夜固定;
• 悬浮细胞:1200 rpm 离心 2 分钟,弃上清,加入 1 mL Karnovsky 固定液轻轻重悬,室温固定 2 小时或置于 4°C 过夜;
• 缓冲液清洗:固定完成后,使用 0.1 M 二甲胂酸钠缓冲液清洗 3 次,每次 10 分钟。
琼脂糖预包埋(形成细胞微块)
由于单个细胞无法单独进行后续溶液置换与超薄切片修块,必须将分散细胞包裹固定在凝胶网络中:
配制 4% 超纯低熔点琼脂糖水溶液,水浴加热至完全融化。悬浮细胞或刮取的贴壁细胞经微量离心收集沉淀,小心吸除多余液体。
加入约 100 µL 预热的 4% 琼脂糖溶液,使用移液枪头轻柔重悬混匀,立即置于 4°C 冰箱凝固 10 分钟。
在解剖显微镜下,用手术刀片将固化后的琼脂糖细胞团切成单边尺寸小于等于 1 mm³ 的立方微块,转入多孔样品篮中继续后续步骤。
方案采取两步分立程序,避免预混产生的还原态锇大分子沉积阻碍深层渗透:
第一步:未还原 2% 四氧化锇渗透
将琼脂糖微块浸入 2% 四氧化锇(溶于 0.1 M 二甲胂酸钠缓冲液),放入 BioWave。参数:开启真空、100 W 微波功率,执行 3 个循环(微波开 2 min / 关 2 min),单步耗时 12 min。
第二步:1.5% 亚铁氰化钾原位还原
吸弃锇酸后加入 1.5% 亚铁氰化钾(溶于 0.1 M 二甲胂酸钠缓冲液),在相同程序下运行:开启真空、100 W 微波、3 个循环(开 2 min / 关 2 min),耗时 12 min。
• 漂洗步骤:使用纯水漂洗 3 次,每次在微波中运行:关闭真空、150 W、40 秒。
为使细胞膜与超微结构具备足够强的原子序数对比度及体相导电性,依次进行四步强化染色:
• 1% TCH 孵育:加入新配过滤的 1% 硫代卡巴肼(TCH 水溶液),在 40°C 下运行:开启真空、150 W 微波、3 个循环(开 2 min / 关 2 min),耗时 12 min;随后纯水微波清洗(关真空,150 W,3 × 40 秒)。
• 第二轮 2% 四氧化锇染色:加入 2% 四氧化锇纯水溶液,室温运行:开启真空、100 W 微波、3 个循环(开 2 min / 关 2 min),耗时 12 min;随后纯水微波清洗。
• 2% 乙酸双氧铀染色:加入滤过的 2% 乙酸双氧铀水溶液,置于 4°C 避光孵育过夜;次日在 50°C 条件下执行强化微波程序:开启真空、150 W 微波、3 个循环(开 2 min / 关 2 min),耗时 12 min;随后纯水微波清洗。
• Walton 氏天冬氨酸铅染色:加入预热的铅门冬氨酸染液(pH 5.5),在 50°C 条件下执行微波程序:开启真空、150 W 微波、3 个循环(开 2 min / 关 2 min),耗时 12 min;随后纯水微波彻底清洗。
脉冲控温防变性设置
细胞微块热敏感度高,微波程序全程采用“开 2 min / 关 2 min”脉冲循环,并在 ColdSpot® 循环冷却水槽支持下及时释放组织内部热量,确保样品温度严格受控,保护细胞内细胞器与膜骨架超微结构。
梯度脱水(关闭真空)
样品依次经过梯度脱水序列:25%、50%、75%、90%、100% 乙醇、100% 无水乙醇(加 3Å 分子筛)、100% 丙酮、100% 无水丙酮(加 3Å 分子筛)。
操作注意:由于乙醇与丙酮沸点较低,脱水阶段必须关闭真空,设定为 150 W 微波功率,每步处理 40 秒,避免有机溶剂剧烈挥发沸腾造成细胞破碎。
Hard Epon 环氧树脂梯度渗透(开启真空)
FIB-SEM 离子束连续切削要求样品块具有均匀的高机械硬度,配制 Hard Epon 配方。样品依次进入:25% 树脂(丙酮稀释)、50% 树脂、75% 树脂以及 100% 纯 Hard Epon 树脂(3 次更换置换)。
参数设定:开启真空、250 W 微波功率、每步处理 3 分钟(共 6 步,微波运行总时长 18 分钟)。
*注:若实验排程需跨天,可在第一次 100% 纯树脂微波处理后将样品留置室温或冷藏过夜,次日再执行后两次纯树脂置换。
• 烘箱固化:将浸透完成的微块放入专用扁平包埋模具,注入新鲜 Hard Epon 树脂,放入 60°C 烘箱中聚合固化 48 小时;
• 样品块截取与基底固定:使用精细珠宝锯或修块刀从包埋板中锯出含细胞沉淀的树脂块,用高硬度双组份环氧胶将其牢固粘贴在样品台上,60°C 固化过夜;
• 超薄切片修块与光镜定位:在超薄切片机(如 Leica UC7)上用玻璃刀修平树脂外周,修出微金字塔面;切取 500 nm 厚的半薄切片,经甲苯胺蓝染色在光学显微镜下复核细胞富集度与目标区域(ROI);
• 导电连接与喷金:使用导电银胶或碳胶将样品侧面与样品台牢固连通接地,置于高真空溅射仪中沉积 20 nm 金属金导电层;
• FIB-SEM 进室成像:将样品载台装入 FIB-SEM 腔体,设定合适的工作距离,利用 GIS 气体注入系统在目标细胞表面沉积保护层(IBID),设置离子切削间距并开启序列图像自动采集。
下表汇总了莫纳什大学细胞制样方案中 PELCO BioWave® Pro+ 系统的各项核心程序设定:
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| 实验步骤 | 反应试剂与介质 | 功率与真空状态 | 温度条件 | 运行循环与时间 |
|---|---|---|---|---|
| 第一轮锇酸后固定 | 2% 四氧化锇(二甲胂酸钠缓冲液) | 100 W,开启真空 | 室温(ColdSpot 水冷) | 3 循环(开 2 min/关 2 min),12 min |
| 原位还原反应 | 1.5% 亚铁氰化钾(二甲胂酸钠缓冲液) | 100 W,开启真空 | 室温(ColdSpot 水冷) | 3 循环(开 2 min/关 2 min),12 min |
| 中间漂洗 | 超纯水(MilliQ 水) | 150 W,关闭真空 | 室温 | 3 步 × 40 秒连续置换 |
| TCH 桥联反应 | 1% 硫代卡巴肼(TCH 水溶液) | 150 W,开启真空 | 40°C 恒温 | 3 循环(开 2 min/关 2 min),12 min |
| 第二轮锇酸后固定 | 2% 四氧化锇水溶液 | 100 W,开启真空 | 室温 | 3 循环(开 2 min/关 2 min),12 min |
| 铀染与铅染强化 | 2% 乙酸双氧铀;天冬氨酸铅(pH 5.5) | 150 W,开启真空 | 50°C 恒温(铀染先 4°C 过夜) | 各 3 循环(开 2 min/关 2 min),各 12 min |
| 梯度脱水序列 | 25%~100% 乙醇系列;100% 丙酮 | 150 W,关闭真空 | 室温 | 8 步 × 40 秒连续置换 |
| Hard Epon 树脂渗透 | 25%、50%、75% 及 100% 纯 Hard Epon | 250 W,开启真空 | 室温 | 6 步 × 3 分钟,共 18 min |
1. 琼脂糖微块制备与细胞密度
琼脂糖混合时应轻柔吹打,避免产生气泡。微块单边尺寸应严格切至小于等于 1 mm³,以确保微波与试剂对深层细胞的均匀浸润。细胞沉淀需具备足够的细胞浓度,以便在后续超薄切片光镜定位时快速锁定细胞聚集区。
2. 有机溶剂必须关闭真空
在乙醇及丙酮梯度脱水阶段,必须确认关闭真空系统。负压环境会使低沸点挥发性溶剂暴沸,破坏琼脂糖骨架并损伤细胞膜完整性。
3. 剧毒与放射性试剂的安全规范
锇酸、乙酸双氧铀及天冬氨酸铅具有强毒性及潜在放射性。所有配液、换液及清洗必须在通风橱内严格执行,废液分类收集,操作全程佩戴防护手套。
方案出处与参考文献
1. Danne JC, Templin R, Gervinskas G, Korneev D, Gorelick S, Ramm G. Preparation of Cells for Volume Electron Microscopy using Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy (FIB-SEM). protocols.io, 2024. DOI: 10.17504/protocols.io.n92ldmeq7l5b/v1.
*注:本方案整理自莫纳什大学电镜中心公开之细胞实验操作指南,仅供电镜制样与细胞生物学研究人员学术交流与技术参考。

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