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Method Article
* 这些作者具有相同的贡献
在该协议中,我们展示了如何为原子力显微镜 (AFM) 准备蝾螈组织,并在完整和再生的肢体软骨中进行压痕测量。
机械力为发育组织中的正常细胞功能和模式形成提供了重要信号,它们在胚胎发生和发病过程中的作用已得到广泛研究。相比之下,对动物再生过程中的这些信号知之甚少。
蝾螈是研究再生的重要模式生物,因为它能够在受伤后完全恢复许多器官和组织,包括缺失的软骨和骨骼。由于其作为脊椎动物身体中主要支撑组织的关键作用,在再生过程中恢复骨骼功能需要恢复缺失的结构及其机械性能。该协议描述了一种用于原子力显微镜 (AFM) 处理蝾螈肢体样品的方法,这是在高空间分辨率下探测细胞和组织力学特性的金标准。
利用蝾螈的再生能力,本研究测量了体内平衡和肢体再生的两个阶段:组织组织溶解和软骨凝结期间肢体软骨的刚度。我们表明 AFM 是深入了解动态组织重组和再生过程中发生的机械变化的宝贵工具。
骨骼,尤其是软骨和骨骼,为脊椎动物身体的软组织提供主要的机械支撑。因此,骨骼系统中的任何损伤都可能极大地损害功能甚至生存。在人类中,骨折是最常见的创伤性损伤之一1,其中大多数会在几周内修复,但其中 5%-10% 会延迟愈合或从未完全恢复 2,3。此外,人类无法从广泛的骨骼或软骨流失中恢复过来 4,5。然而,一些蝾螈可以再生各种身体结构,包括完整的肢体6 (full limbs),这使它们成为研究骨骼再生的理想模型。
蝾螈 (Ambystoma mexicanum) 是一种蝾螈,其肢体再生已被广泛研究。这个过程发生在四个主要的连续但重叠的阶段:1) 伤口愈合,2) 炎症/组织溶解,3) 胚层形成,以及 4) 胚层生长/分化(7,8 中已论述)。截肢后,与损伤部位接壤的角质形成细胞迅速迁移,闭合伤口并形成伤口上皮 (WE)。在随后的炎症和组织溶解过程中,病原体被清除,碎片和受损细胞被清除,截肢表面下的细胞外基质 (ECM) 被重塑9。组织组织裂解对于肢体再生的发生至关重要10,其中蛋白水解酶的分泌不仅对整体 ECM 重塑至关重要,而且对于释放产生胚层的细胞和释放隔离在 ECM 本身中的生物活性分子也至关重要8。事实上,在许多再生环境和模式生物中的研究表明,ECM 在组织分解过程中的独特材料特性能够诱导去分化过程或引导细胞向损伤部位迁移(11 中已论述)。此外,在组织溶解的晚期钙化组织的再吸收已被证明是正确整合新形成的肢体骨骼元件的关键12。在组织溶解阶段之后,胚芽在伤口上皮 (WE) 下形成,作为由去分化成熟组织细胞或常驻干细胞产生的未分化、多谱系祖细胞的积累。Blastema 细胞增殖并分化成所有缺失的细胞类型。最后,发生肢体形态发生,骨骼组织通过源自 periskeletal 细胞和转分化真皮成纤维细胞的软骨生成器的浓缩再生 13,14,15。
尽管已经确定了许多调节细胞身份和 ECM 组成变化的生化线索 10,13,14,16,17,18,但肢体再生不同阶段的组织力学特性及其对再生的影响在很大程度上仍未得到探索。许多研究表明,细胞在多种情况下感知并整合调节其命运和行为的机械线索(19,20 年综述)。因此,用组织力学测量来补充我们对肢体再生的细胞和分子知识将大大提高我们对这些过程的理解。
已经开发了不同的技术,允许对生物样品进行机械表征和力操纵21。在这些技术中,原子力显微镜 (AFM) 已成为机械生物学的黄金标准,其中通过使用超灵敏的力传感器 AFM 悬臂22 压痕,以高空间分辨率探测生物样品的粘弹性。由于该技术需要与样品直接接触,因此通常会生成组织切片,这在某些情况下可能具有挑战性。因此,需要针对每个特定样品调整和优化制备条件,使其能够尽可能接近生理条件,并产生最少的伪影23。该协议描述了如何使用 AFM 测量蝾螈肢体的组织刚度,重点关注完整条件下的软骨组织,同时进行组织溶解和软骨凝结阶段(图 1 和 图 2)。这种方法也可以扩展到其他组织类型的测量。
蝾螈 (Ambystoma mexicanum) 是在德累斯顿理工大学 (TUD) 德累斯顿再生疗法中心 (CRTD) 的蝾螈设施中生长的。饲养条件的完整描述可以在24 中找到。简而言之,将房间保持在 20-22 °C,昼夜循环为 12/12 小时。所有处理和外科手术均按照当地伦理委员会的指导方针进行,并已获得德国萨克森州州长的批准。
这项研究在所有实验中使用白色 (d/d) 蝾螈,这是一种天然存在的突变菌株,缺乏体色素沉着(很少或没有黑素细胞和黄细胞),虹膜细胞仅在眼睛的虹膜中。本研究使用了从鼻子到尾巴(5-7 个月大)长 8-15 厘米的蝾螈,没有性别特异性偏倚。
1. 准备工作
2. 试剂
3. 蝾螈截肢和肢体再生
4. 用于测量的组织安装和加工
5. 使用 AFM 进行测量
6. (可选)处理相邻组织切片
7. 数据分析与展示
使用上述方案,我们测量了软骨蝾螈肢体组织在稳态("完整")条件下、早期软骨组织溶解和晚期软骨凝结阶段的表观杨氏模量(图 1A)。我们还探测了不同区域骨骼元件的机械性能,包括它们的中心和外围,如描绘悬臂位置的图像所示(图 1B)。为了显示组织结构并将其与刚度测量相关联,将横向组织切片或进行测量的组织?...
在这里,我们展示了一种用 AFM 测量蝾螈肢体软骨刚度的技术。然而,这种方法也可以扩展到探测其他组织类型。成功进行 AFM 测量的关键步骤是样品制备,事实证明,这对于蝾螈样品来说尤其具有挑战性。我们发现,探测仍嵌入琼脂糖块中的组织表面是保持组织完整性的最佳方法。这是因为蝾螈皮肤在表皮表面分泌高水平的粘液,从而阻止切片组织切片稳定地嵌入琼脂?...
作者声明没有利益冲突
我们感谢 Sandoval-Guzmán 实验室的所有成员在这项工作开发过程中的持续支持和陪伴。我们还感谢 Anja Wagner、Beate Grühl 和 Judith Konantz 对蝾螈护理的奉献。我们还感谢 Paul Müller 为 AFM 数据分析提供代码。这项工作得到了德累斯顿工业大学 CMCB 技术平台的光学显微镜设施的支持。AT 是德国癌症援助组织 (Deutsche Krebshilfe) 资助的德累斯顿 P2 早期职业中心 Mildred Scheel 的研究员。RA 由 Deutsche Forschungsgemeinschaft(DFG,德国研究基金会)的临时 PI 职位 (Eigene Stelle) – AI 214/1-1 资助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Affinity Designer | Affinity | version 1.10.4 | For figure assembling |
Agarose Low Melt | Roth | 6351.1 | For sample preparation |
Alexa Fluor 488 Phalloidin | Invitrogen | A12379 | To stain tissue |
Axiozoom | Zeiss | To image samplea under the AFM | |
Benzocaine | Sigma-Aldrich | E1501 | To anesthetize the animals |
Butorphanol (+)-tartrate salt | Sigma-Aldrich | B9156 | As analgesic |
Cantilever | NanoWorld | Arrow TL1 | For AFM indentation measurements |
Cellhesion 200 setup equipped with a motorstage | JPK/Bruker | For AFM indentation measurements | |
CellSense Entry | For imaging in Stereoscope Olympus UC90 | ||
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (DPBS, 1x) | Gibco | 14190-144 | To clean samples and section under vibratome |
FIJI (ImageJ2) | https://imagej.net/software/fiji | version 2.9.0/1.53t | For image processing |
GraphPad Prism | GraphPad Software | (version 8.4.3) | To graph and statistically analyze the data |
Heat-inactivated FBS | Gibco | 10270-106 | For cell culture medium |
Histoacryl glue (2-Butyl-Cyanoacrylate) | Braun | To glue sample to petri dishes | |
Hoechst 33258 | Abcam | ab228550 | To stain tissue |
Insulin | Sigma-Aldrich | I5500 | For cell culture medium |
Inverted confocal microscope | Zeiss | 780 LSM | To image tissue sections |
Inverted confocal microscope | Zeiss | 980 LSM | To image tissue sections |
JPK/Bruker data processing software | JPK/Bruker | SPM 6.4 | To analyze force-distance curves |
L15 medium (Leibovitz) | Sigma | L1518 | For cell culture medium |
L-Glutamine | Gibco | 25030-024 | For cell culture medium |
Penicillin/Streptomycin | Gibco | 15140-122 | For cell culture medium |
polystyrene beads ( 20 µm diameter); ) | microParticles | For AFM indentation measurements | |
Pyjibe | written by Paul Müller https://github.com/AFM-analysis/PyJibe | 0.15.0 | For viscoelastic analysis |
Stereoscope Olympus SX10 | Olympus | SX10 | For limb amputations and tissue mounting |
Stereoscope Olympus UC90 | Olympus | UC90 | For imaging |
Vibratome Leica | Leica | VT 1200S | For tissue sectioning |
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