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We present a protocol for the application of Brillouin light scattering spectroscopy to elastin and trypsin-purified type I collagen fibers of the extracellular matrix to extract their full elastic properties.
Brillouin spectroscopy is an emerging technique in the biomedical field. It probes the mechanical properties of a sample through the interaction of visible light with thermally induced acoustic waves or phonons propagating at a speed of a few km/sec. Information on the elasticity and structure of the material is obtained in a nondestructive contactless manner, hence opening the way to in vivo applications and potential diagnosis of pathology. This work describes the application of Brillouin spectroscopy to the study of biomechanics in elastin and trypsin-digested type I collagen fibers of the extracellular matrix. Fibrous proteins of the extracellular matrix are the building blocks of biological tissues and investigating their mechanical and physical behavior is key to establishing structure-function relationships in normal tissues and the changes which occur in disease. The procedures of sample preparation followed by measurement of Brillouin spectra using a reflective substrate are presented together with details of the optical system and methods of spectral data analysis.
布里渊光散射(BLS)的作用被列昂布里渊于1922年1它包括通过在材料热活化的声学声子的可见光的非弹性散射的发现。在固体物理学,声子在晶格所有原子相干振动。两个交替类型的晶格原子的一维链是表示声学声子,由BLS揭示和光学声子,通过IR吸收和拉曼散射( 图1)探测之间的差的简单模型。声学声子是同相在链中具有沿传播方向的位移的原子移动(纵向声子),或垂直于传播方向(横声子),而光学声子是原子外的相位变动产生振荡电偶极矩(纵向或横向模式)。
BLS分光镜检查已自1920年以来分析科学被使用;然而,仅80年代以来有高对比度的测量通过使用串联多通路法布里 - 珀罗分光计是不可能的。自那时以来,越来越多的进步在BLS在凝聚态物质(其中光子-光子相互作用被利用)分析应用2-4和磁性材料(通过光子磁振子相互作用)5已经带来的。上的生物医学应用6-8开创性工作铺平到的各种方法的发展途径,其中包括一个在这里施加并且在片状结构使用反射衬底实现的弹性张量的完整描述前面所述9所述一个一个样品。
在目前的工作中,我们应用BLS光谱外基质的结缔组织的基本成分,纤维蛋白弹性蛋白和I型胶原。 ŧYPE I型胶原是刚性的,三螺旋分子,其横向和纵向组装具有广泛的交联,以形成组织中基本刚性纤维,例如筋。胶原的网络通常具有弹性的网络并存,一个蛋白,其,异常,通过熵和与其环境的疏水性相互作用的组合产生长范围的弹性,并且是组织如肺和皮肤的功能是必不可少的。两种纤维在当前研究使用六方晶系模型建模。9在部分1,我们描述了协议来提取从动物组织的纤维和以制备用于光谱测量的样品。在部分2,用于设置的布里渊装置和获得从纤维光谱的程序提出。部分3给出施加到的布里渊频谱,提取包含在其中的相关的机械信息的数据分析的细节。然后,代表性的结果都和discusseð。
注意:请咨询生物安全协议,并在使用前的所有相关材料安全数据表(MSDS)。在这些实验中采用的激光是一个3B类激光;遵守一个安全系统的使用局部规则是必需的。进行激光光谱测量包括使用个人防护装备(护目镜)时,请使用所有适当的安全措施。
从对安乐死按照欧盟法规二千零九分之一千零九十九和动物福利(屠宰或杀害)规例从本地屠宰场获得了1995年牛颈项韧带其他用途7-8周龄Wistar大鼠尾得到筋。
1.样品纤维的制备
注:细胞外基质的蛋白纤维可以从各种组织中提取,使用不同的程序。基于广泛的应用程序的协议进行了细化。
2.设置布里渊实验并获得光纤光谱
3.布里渊频谱分析
注:布里渊峰拟合的分析可以使用各种功能来执行。选择了阻尼谐振子(DHO)函数4,13,因为这是从粘弹性阻尼介质声模原峰的有效模式。
在该实验中( 图SI-1A)中使用的布里渊光谱设备先前已描述9它采用单一模式532纳米的固态激光器在样品76毫瓦的输出功率。将20cm消色差透镜聚焦激光光到样品和从在一个反向散射几何样品收集散射光。一种串联多通路法布里 - 珀罗干涉仪用于过滤的散射光,然后由一个低噪声光电二极管检测器检测到。这种方法非常给通过标准具自调心压电扫描的高对比度( 约 120分贝)和稳定性。偏振器和分析器介绍来选择入射光和散射光的偏振。光谱通常与偏振保持固定选择入射光偏振的垂直(V)方向和分析器选择备选的垂直(V)所得的O散射光偏振中的R水平(H)方向。在这种配置中,纵向和横向的声模分别检测。
一个典型的布里渊频谱具有强烈中央峰由于弹性散射和同样移位的峰,或布里渊双峰 ,这是样品的力学的签名的一个或多个集合。在这些测量中,散射光既可以从散装声子行进的准正交到样品,并在样品基片接口的入射光反射后,从散装声子平行于表面(PS模式)行驶起源9
图2示出了在0.2千兆赫的分辨率与VV极化得到的干燥和水合胰蛋白酶消化的胶原纤维的BLS光谱,用30千兆赫的自由光谱范围和大约10分钟的收集时间每个谱。每个光谱对应于旋转一个特定的角度,θ ( 图SI-1C)。在θ= 0°干胶原纤维,纵模产生的堆积峰(18.92±0.02)GHz的同时PS模式是在(9.85±0.03)GHz的( 图2A)。在PS峰转移到较低频率为θ从0°(声子探测纤维的轴向方向)变到90°(声子探测径向取向),而在本体峰仅轻微红移时在同一范围内改变θ (声子探测整个旋转的准径向方向上)。在湿胶原纤维,两峰由于纵向声子在整个实验基本上保持不变,以在约 10.5千兆赫的散装峰,并在4.9千兆赫( 图2B)在PS峰。这表明在峰值频率的80到100%的减少(相对于18.92所述数据和9.85千兆赫,分别),因此材料的刚度,由于水合作用。需要注意的是水合胶原的体积和PS模式在于频率的纯水的模式接近,这表明它的弹性常数是水和纤维的贡献的组合,与由水起到了主导作用。
图3显示了在θ=与VH结构偏振30°测定干胰蛋白酶消化的胶原纤维的频谱;的VV极化的泄漏使得仍然可以观察到的PS和散装峰。横模占在(4.1±0.2)千兆赫(θ= 0°),其略微蓝移从0°到90°θ变化的峰。对于横向和PS峰都拟合结果也示。提取峰值参数和声波速度被衍生为V L = vλ/√2,其中 v是由峰的曲线拟合分析,λ获得的模式的频率是激发波长,532纳米。注意,在该几何形状中,不需要的材料的折射率的知识来获得声模速度(由于散射几何学,Q S = 2 K I SIN(Φ); 图SI-1b中,c)中 ,因此使这种方法特别有利的。
图4是作为角度θ的函数从纵向和横向模式中得到的声波速度(PS和T峰)的曲线图 。拟合分析以六角形对称弹性固体7的模型-方程A1和A2之下-提供干燥胰蛋白酶消化型的弹性张量的五个组件I型胶原纤维( 表1)。
纵向和横向声波速度由9给出
,(A1)
, (A2)
其中ρ是材料的密度,以及c 11,C 33,C 44和C 13是具有六边形对称性表征系统的五个弹性常数中的四个。第五常数,c 12,可以从近似关系C 12〜C 11衍生- 2 C 44 7
系数是类似于先前从未纯化的胶原fibe得到的那些RS 9一个明显的区别出现的位置系数C 13被反射到弹性模量Ëǁ和E相似的价值观 (约7.2和7.7 GPA)的纯化的胶原蛋白。
图5是湿的胶原蛋白与θ的纵向声波速度的阴谋 。在这种情况下,在频率没有周期性变化被观察到,给误差内的等速; 图6示出了在θ= 0°测量干燥和水合弹性纤维的光谱。对于这些样品中未检测到横模。在干弹性,堆积峰在16.8 GHz的同时PS模式出现在8.2千兆赫9(13比干胶原的相应峰值降低了20%)。湿弹性纤维呈现出散pEAK在(12.30±0.01)GHz的(在频率比干燥弹力的散装峰值低37%)。湿弹性的PS模式,是因为在这些频率弹性峰尾紧张不是在频谱明显。另一方面,在大约 7.5千兆赫的峰归因于大体积的水。
图7示出在对θ干弹性纤维声波速度的依赖性。从这些数据中,弹性张量分量(和机械模数),得到( 表1)。9如湿胶原,存在水合弹性蛋白纤维的机械模量各向同性的证据。这些结果表明激布里渊光谱如何给上刚度,组成和材料的结构方面的相关信息。
网络连接古尔1. 声学和原子的一维链的光学声子。在一维双原子链的声学和光学振动示意图。原子具有质量m 1和m 2的交替。箭头指示的原子位移。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2. 胰蛋白酶和纯化的类型的布里渊频谱I型胶原从大鼠尾腱的纤维。(A)的干纤维和(B)的光谱水合从VV测量纤维在不同的角度,以纤维轴θ,以度。纯净蒸馏水频谱也同时显示。谱归一化到散装峰的强度(高度)。标签B和PS分别表示有关体积和并行到表面模峰。误差线表示的标准误差(计数数的平方根)。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3. 布里渊干胰蛋白酶纯化型谱胶原蛋白从鼠尾腱纤维。频谱从θ的VH测量 = 30°。标签T,聚苯乙烯和B表示的横向,平行于表面和批量模式,分别相关峰。使用T和PS模式的阻尼谐振子(DHO)模型拟合分析结果也显示。误差棒表示标准误差(计数的数的平方根)。/54648fig3large.jpg"目标="_空白">点击此处查看该图的放大版本。
图4. 叠加在干燥的胰蛋白酶的纯化胶原VS角度纤维轴声波速度从布里渊峰的拟合分析得出的干胶原纤维的纵向和横向声波的速度。数据拟合的六角对称弹性固体模型。红线:公式A1(R 2 = 0.99);蓝线:公式A2(R 2 = 0.36)。误差条指示从协方差矩阵的列文伯格-马夸特非线性最小二乘法拟合布里渊频谱后对角线元素的平方根获得的标准误差。 请点击此处查看大VERSI这个数字的。
图5. 情节在潮湿的胰蛋白酶的纯化胶原VS角度纤维轴纵向声波速度从布里渊峰的拟合分析得出水合胶原纤维纵向声波速度。示出的线是眼睛的导并给出在此范围内的声波速度的平均值。误差条指示从协方差矩阵的列文伯格-马夸特非线性最小二乘法拟合布里渊频谱后对角线元素的平方根获得的标准误差。 请点击此处查看该图的放大版本。
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图6. 布里渊牛项韧带弹性纤维的光谱。在θ干燥和水合光纤光谱 = 0°。谱归一化到散装峰的强度(高度)。标签B和PS分别表示有关体积和并行到表面模峰。乙F和BW¯¯分别指的是纤维和水的体积峰。误差线表示的标准误差(计数数的平方根)。 请点击此处查看该图的放大版本。
图7.情节在干燥弹性VS角度纤维轴纵向声波速度。干弹性纤维蛋白原纵向声波速度呃从布里渊峰的拟合分析得出。数据拟合的六角对称弹性固体模型。红线:A1方程式9(R 2 = 0.74)。误差条指示从协方差矩阵的列文伯格-马夸特非线性最小二乘法拟合布里渊频谱后对角线元素的平方根获得的标准误差。 请点击此处查看该图的放大版本。
图SI-1。布里渊设置和BLS散射几何学的示意图。(A)中由固态激光器发射的入射光被通过一个消色差透镜发送到样本。通过批量声子和那些来自REFL产生散射的光在衬底表面上,这是在与样品接触的光的挠度,由透镜收集通过的串联多路径法布里 - 珀罗干涉仪过滤并检测由光电倍增。 FP1和FP2表示构成串联设置两个干涉仪。偏振器选择入射光的偏振,以及分析器,用于选择散射光的偏振。 (B)中的BLS几何与具有反射硅衬底的表面接触的样品。一种玻璃滑动件(未示出)被放置在试样上面以密封隔室,并通过焊盘在基板的角部被施加轻柔的压力。入射光(K I)穿过透镜,则在空气-样本界面(K'ⅰ)折射并聚焦在样品基片接口。通过相同的镜头收集到的散射光(K'S)从相互作用的结果与散装声子(Qb)和样品(Q S的那些行,PS)。 。光的方向和垂直于表面之间的角度被表示为Φ和Φ'(C)的样品和通过坐标系的示意图; ž限定轴线平行的非凡于纤维的方向。角度θ和α是那些声子Q S方向和Q B于z a轴分别之间,K I,K'I,K S,K 的 :事件的波数及散射光; Q B,Q S,体积和PS模式,分别为波矢。 (从REF 9转载) 点击此处查看该图的放大版本。
表从声波速度拟合分析得出1.弹性系数张干胰蛋白酶纯化的I型胶原纤维弹性系数张(。这项工作)和弹性纤维(参考9)。样品 | 弹性系数(GPA) | |
胰蛋白酶消化的胶原蛋白 | C 33 | 18.7±0.1 |
C 11 | 14.4±0.2 | |
C 44 | 3.4±0.1 | |
C 12 | 7.2±0.2 | |
C 13 | 11.2±0.3 | |
弹性 | C 33 | 11.5±0.2 |
C 11 | 10.4±0.1 | |
C 44 | 1.9±0.2 | |
C 12 | 6.6±0.2 | |
C 13 | 6.8±0.3 |
布里渊散射光谱是一个独特的工具,通过该蛋白纤维的弹性张量的各个组件可被表征在前所未有的细节。此外,该测量可以在微观尺度进行,从而将提供给我们新的见解的生物结构的微观尺度力学,允许我们,对于第一次,以了解机械,和可能功能的复杂性,意义在矩阵架构和生物化学已揭示在最近几年。
该技术测量在GHz频率范围内的机械性能。这一领域从未有过探索生物大分子结构和它既提高了,并提供了手段来回答有关弹性分子机制的根本问题。
我们所描述的步骤,从动物组织中提取的胶原蛋白和弹性纤维,并测量布里渊scatteri纳克光谱使用反射基底达到光纤生物力学的完整描述。在协议中的关键步骤是那些确保纯化的纤维得到和适当的实验条件到位为纤维蛋白的可再现的测量。然而,必须记住,提取程序可以修改的纤维的机械性能承担。
该技术的变型涉及与microfocused布里渊散射和映射光学显微镜的耦合接近13与互补的技术的可能的组合( 例如,拉曼散射)。该技术目前的应用主要集中在离体生物材料,但重要的进展, 例如,那些基于多个VIPA标准具14,都使得有可能从台式到床边这种技术具有广泛的应用已经妖翻译包括体内应用潜力strated 15,16。 VIPA的方法是什么,我们描述的替代;它具有更快的采集时间,但不一定是在不透明的样品的情况下,适当的如这里进行分析。此外,使用在反射性基材的不在于使用VIPA标准具调校实用的,因为它们的对比度将不足以拒绝准弹性光。有关获得的光谱数据集,该材料的固有弱散射截面的速度的限制可能限制应用到动态生物系统,并从内组织深处的采集的数据,但技术精炼可以改善电流的性能。
BLS有望成为生物物理基础研究的细胞外基质的主要工具,从而产生基质生长过程中的新见解的力学性能的演变及其病理损失退化。然而,要记住,测量非侵入,并可能因此在体内进行是重要的。实际上,这已经在角膜16实现,这样的工作可提供新的诊断工具的开发适用范围广的结缔组织病症的平台。
超声弹性和原子力显微镜(AFM)是微机械测量的替代方法,但BLS的技术比前者,不像AFM提供更好的空间分辨率(对亚细胞规模),施加在试样上没有机械力,并且不限制于分析唯一的表面特征。胶原蛋白和弹性模量布里是在GPA的范围,同时从宏观株杨氏模量兆帕的顺序(进一步的细节将另行报道)的。该结果表明与在激励频率的依赖性强的差分弹性模量,由于纤维的粘弹性行为。 BLS可以应用于范围广泛的生物医学科学的问题和材料。它可以在回答有关的生理和生物组织的病理学的问题有所帮助,以及提供的材料和相互作用在分子水平的基本理解的物理工具。
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the Engineering and Physical Sciences Research Council [grant number EP/M028739/1]. RSE was supported by a Santander Postgraduate Research Award 2015.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Chondroitinase ABC | Sigma-Aldrich | C2905 | |
Tris Buffer | Fluka | 93358 | |
Sodium Acetate | Fisher Scientific | S608-500 | |
PBS | Sigma-Aldrich | P4417 | |
Sodium Azide | Fisher Scientific | S2002 | |
Streptomyces Hyaluronidase | Sigma-Aldrich | H1136-1AMP | |
Sodium Chloride | Fisher Scientific | S7653 | |
Trypsin | Sigma-Aldrich | T4665 | |
Sodium Phosphate | Sigma-Aldrich | S9638 | |
Sodium Hydroxide | Fisher Scientific | S320-500 | |
Pure Water | Millipore | ZRQS0P3WW | Produced in-house |
Distilled Water | Bibby Scientific Limited | D4000 | Produced in-house from water still |
Euthatal | Merial | J01601A | |
Tandem Interferometer TFP-1 | JRS Scientific Instruments | ||
Freezer | Lec | TU55144 | |
Refrigerator | Zanussi | ZBA15021SA | |
Hot Plate | Fisher Scientific | SP88857206 | |
Clamps | VWR | 241-7311 & 241-7201 | |
Clamp Stand | VWR | 241-0093 | |
Thermometer | Fisher Scientific | 13-201-401 | |
Cling Film | Sainsbury's | 7650540 | |
Parafilm | Sigma-Aldrich | P7793-1EA | |
Silicone | IDB Technologies | N/A | No catalogue number. Order upon request. |
Cover Glass | VWR | 631-1571 | |
Conical Flask | VWR | 214-1175 | |
Beaker | VWR | 213-0469 | |
Measuring Cylinder | VWR | 612-3838 | |
Vial | VWR | 548-0051 & 548-0863 | |
Petri Dish | VWR | 391-0441 | |
Scalpel | Swann Morton Ltd | 0914 & 0308 | |
Diamond Scribe | RS Instruments | 394-217 | |
Soldering Iron | RS Instruments | 231-5332 | |
Fine Forceps | VWR | 232-0188 | |
Double Micro-Spatula | VWR | Various Sizes | |
pH Meter | Hanna Instruments | HI-2210-02 | |
Orbital Shaker | IKA | 0002819000 |
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