Die Autoren danken dem Land Baden-Württemberg und die Europäische Union Europäischer Fonds für regionale sterben Entwicklung - für die Finanzierung ZAFH-PHOTON n, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Finanzierung von Forschung Grant No. 1792C08 sowie die Baden-Württemberg-Stiftung GmbH für die Finanzierung des Projekts &quot;Aurami&quot;.

Ein. Seeding und Inkubation der Zellen <ol><li> Saatgut einzelnen Zellen, zB U373-MG oder U-251 MG-Glioblastomzellen mit einer typischen Dichte von 100 Zellen / mm 2 auf einem Glasträger und wachsen sie für 4872 Stunden in Kulturmedium (zB RPMI 1640, ergänzt mit 10% fötalem Kälberserum und Antibiotika) mit einem Inkubator bei 37 ° C und 5% CO 2. </li><li> Inkubieren von Zellen mit einer Membran-Marker, zB 6-Dodecanoyl-2-dimethylamino Naphthalin (Laurdan) für 60 min bei einer Konzentration von 8 uM (in Kulturmedium) 4, oder eines Cytoplasma-Marker aufgebracht, angewendet zB Calcein acetomethlyester 40 min bei einer 4,5; Konzentration von 5 uM 3, oder eine Membran zugeordnet Photosensibilisator Protoporphyrin IX z. B. auf 4 h Inkubation mit seiner Vorstufe 5-Aminolävulinsäure (1 mM 5-ALA) induziert. </li><li> Waschen der Zellen mit Kulturmedium oder phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) vor der Fluoreszenzmikroskopie. &lt;/ Li&gt; </ol> 2. VA-TIRFM <ol><li> Verwenden Sie einen aufrechten Mikroskop, z. B. Zeiss Axioplan, und ersetzen Sie ihre Kondensator durch eine Beleuchtungseinrichtung, wie in Lit. beschrieben. 3 mit einer halbkugelförmigen oder halbzylindrischen Glasprisma optisch mit dem Objektträger verbunden (siehe Abbildung 1). </li><li> Verwenden eines parallelen kollimierten Laserstrahls das nach Abbildung durch das Glasprisma und weitere optische Komponenten (zB Hohlspiegel) resultiert wiederum in einer parallelen Strahls auf der Oberfläche der Probe (telezentrische Pupille ray). Achten Sie darauf, dass der elektrische Feldvektor senkrecht polarisiert sind zu der Einfallsebene ist. </li><li> Verwenden einer einstellbaren Spiegel innerhalb des Kondensators, der in der Probe abgebildet wird und beleuchtet die Probe unter einem variablen Anstellwinkel (Objektstrahl) befindet. Die verstellbare Spiegel kann durch einen Schrittmotor angetrieben werden, wobei jede Position einem gut definierten Einfallswinkel, wie durch Messungen goniometrischen 3 bestimmt </sup&gt;. </li><li> Kalibrieren der Winkelposition des verstellbaren Spiegels mit dem kritischen Winkel Θ c = 61,3 ° für ein Glas-Wasser-Übergang als ein fester Wert. Θ c visualisiert werden bei Variation der Θ wenn ein Fluoreszenzfarbstoff (z. B. 1 mM Flavinmononucleotid, FMN) in Wasser gelöst ist. Die Position des Spiegels bei Θ = Θ c ist in dem Spiegel Positionierprogramm gespeichert. </li><li> Stellen Sie die Parameter der Kamera (hinten beleuchtet Andor Ixon EMCCD, DV887DC, Andor Technology, Belfast, UK 6), einschließlich Temperatur, Verstärkung, Aufnahmezeit und Schaltgeschwindigkeit. </li><li> Verwenden Sie ein Objektiv von geeigneten Vergrößerung und bevorzugt moderate numerische Apertur (z. B. 40 × / 0,75 oder 63 × / 0,90 Eintauchen in Wasser) und lokalisieren Sie die Objektträger unter dem Mikroskop. Verwenden Immersionsöl, um optischen Kontakt der Probe mit dem Glasprisma gewährleisten. Aufzuzeichnen Fluoreszenzbilder von identischen Proben auf die VariationBeleuchtungswinkel (Θ ≥ Θ c mit Θ c entspricht 64,5 ° für eine Zell-Glas-Grenzfläche). Ein Winkelbereich von 66 ° -74 ° in Schritten von 0,5 ° oder 1 ° empfohlen. Verwenden ein geeignetes Langpass oder Bandpassfilter zum Fluoreszenzdetektion. </li></ol> 3. Data Analysis <ol><li> Lesen von Bildern (zB im ASCII-Format) in verschiedenen Winkeln Θ sowie den Kameraeinstellungen (für Hintergrund Diskriminierung), der Anregungswellenlänge und den Brechungsindizes für Glas (n 1 = 1,52) und Zellen aufgenommen (n 2 = 1,37) in die Auswertung Programm (LabView; NanoCell). Für jeden Satz von Parametern die Eindringtiefe d (Θ) und der Transmissionsgrad T (Θ) werden automatisch berechnet. </li><li> Wählen Sie die Bilder zur Auswertung von Zell-Substrat-Distanzen Δ nach Gleichung 5 (Membran Marker) oder Gleichung 4 (Zytoplasma Marker), Einzelne Bilder mit inhomogenerBeleuchtung (aufschlussreiche e, g. Streifen) kann ausgeschlossen werden. </li><li> Berechnen Sie Bilder von Zell-Substrat-Topologie und wählen Sie einen geeigneten Farbcode für die Anzeige. Bei der Auswertung Profile der einzelnen Pixel dargestellt werden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Diese Profile können als Indikator für die Qualität der Anpassung verwendet werden. </li><li> Bewahren Sie die Auswertung Protokoll. </li></ol> 4. Repräsentative Ergebnisse Vertreter Experimente mit gentechnisch veränderten U251-MG Glioblastom-Zellen freundlicherweise von Prof. Jan Mollenhauer, Abteilung Molekulare Onkologie, Universität Süddänemark, Odense zugeführt wird. In zwei Subklone dieser U251 Zellen die Tumorsuppressorgene oder TP53 PTEN sind überexprimiert Verwendung eines Tet-On Induzierbares Expressionssystem, derart, dass diese Zellen einen verminderten tumorigene Potential aufweisen und können als weniger malignen anzusehen. Hochmalignen U251-MG Zellen ohne Suppressor-Gen sind als Kontrollen verwendet, und U251-MG Wildtyp-Zellen dienen einem weiteren Vergleich. Eine Laserdiode Emittieren eines quasi kontinuierliche Reihe von Pikosekundenpulse (LDH400 mit Treiber PDL 800-B, PicoQuant, Berlin, Deutschland; Wellenlänge: 391 nm; Pulsenergie: 12 PJ; Wiederholungsrate: 40 MHz) als Anregungsquelle verwendet. In 3 TIRFM Bilder der U251-MG Glioblastomzellen mit einer aktivierten TP53 Tumorsuppressorgens und inkubiert mit Laurdan (8 uM, 60 min) werden für Einfallswinkel von 66,0 °, 69,0 ° und 73,0 ° entsprechend Eindringtiefen der abgebildete evaneszenten elektromagnetischen Feld von etwa 140 nm, 75 nm und 60 nm aufweisen. Mit abnehmender Eindringtiefe Fluoreszenz Intensität abnimmt (siehe Skalen) und stammt aus oberflächlicher Seiten der Zellen (zB fokalen Kontakten auf ihren Kanten). Zell-Substrat-Abstände (visualisiert in Abbildung 3d durch einen Farbcode zwischen 0 bis 600 nm) stark in den Zellen zwischen auf unterschiedlichly wenige Nanometer (weiß-gelb) und 250-300 nm (dunkelrot), dh fokale Kontakte und größere Zell-Substrat-Abstände sind in unmittelbarer Nähe. Das gleiche gilt für U251-MG Glioblastomzellen mit einer aktivierten Suppressorgen PTEN (4d), während Zell-Substrat-Abstände relativ konstant sind für U251-MG-Steuerung und Wildtyp-Zellen mit typischen Werten von 80 bis 100 nm (gelb; 4b ) und 150-200 nm (orange-rot; Abbildung 4a). <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/4133/4133fig1.jpg" /> Abbildung 1. Beleuchtungseinrichtung für VA-TIRFM in einem aufrechten Mikroskop. Eine einstellbare Spiegel durch einen Schrittmotor angetrieben erlaubt eine Winkelauflösung von ± 0,25 °. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/4133/4133fig2.jpg" /> Abbildung 2. Auswertung Profil für ein pixel (schematisch). Wenn ln [I C / T (Θ)] in Abhängigkeit von 1 / d (Θ) aufgetragen ist, stellt die Steigung der Zell-Substrat-Abstand Δ. Diese Steigung wird üblicherweise mit einer Genauigkeit von etwa ± 10% bestimmt. Ein Wert - resultierend aus inhomogenen Beleuchtung - markiert wurde und ausgeschlossen von der Auswertung. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/4133/4133fig3.jpg" /> Abbildung 3 TIRFM Bilder der U251-MG Glioblastomzellen mit aktivierten TP53 Suppressorgen nach Inkubation mit Laurdan (8 uM, 60 min). Aufgezeichnet bei verschiedenen Beleuchtungswinkeln (ac); Zell-Substrat-Abstände im Bereich von 0-600 nm gezeigten durch einen Farbcode (d); Anregungswellenlänge: 391 nm, Detektion: ≥ 420 nm; image size:. 210 &amp;mgr; m × 210 &amp;mgr; m <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4133/4133fig3large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen</a> . Abbildung 4 Zell-Substrat-Abstände von U251-MG glioblatoma Zellen im Bereich von 0-600 nm durch einen Farbcode gezeigt;. (A) Wildtyp (b) steuert, (c) Zellen mit aktivierten Suppressorgen TP53, (d) Zellen mit aktiviertem Suppressor-Gen PTEN; Anregungswellenlänge: 391 nm, Detektion: ≥ 420 nm; image size:. 210 &amp;mgr; m × 210 &amp;mgr; m <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/4133/4133fig4large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen</a> .

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J., Bates, M., Zhuang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sub-diffraction-limit+imaging+by+stochastic+optical+reconstruction+microscopy+(STORM).">Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM).</a> Nat. Meth. 3, 793-796 (2006).</li><li>Willig, K. I., Harke, B., Medda, R., Hell, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=STED+microscopy+with+continuous+wave+beams.">STED microscopy with continuous wave beams.</a> Nat. Meth. 4, 915-918 (2007).</li><li>Schneckenburger, H., Wagner, M., Weber, P., Bruns, T., Richter, V., Strauss, W. S. L., Wittig, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-Dimensional+Fluorescence+Microscopy+of+Living+Cells.">Multi-Dimensional Fluorescence Microscopy of Living Cells.</a> J. Biophotonics. 3, 143-149 (2011).</li><li>Dougherty, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photosensitizers:+therapy+and+detection+of+malignant+tumours.">Photosensitizers: therapy and detection of malignant tumours.</a> Photochem. Photobiol. 45, 879-889 (1987).</li><li>Axelrod, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell-substrate+contacts+illuminated+by+total+internal+reflection+fluorescence.">Cell-substrate contacts illuminated by total internal reflection fluorescence.</a> J. 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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Es wird ein Verfahren zum Messen Zell-Substrat-Abstände mit Nanometer-Präzision beschrieben. Derzeit Methoden der super-hochauflösenden Mikroskopie, zB auf strukturierte Beleuchtung 7 oder auf Einzelmoleküldetektion 8-10 sowie stimulierte Emission Depletion (STED) Mikroskopie 11 sind von großem Interesse basiert. Keine dieser Techniken erlaubt jedoch eine axiale Auflösung unterhalb von 50 nm aufweist. Darüber hinaus relativ hohe Bestrahlungsstärke von 50100 W / cm 2...

Wenn ein Lichtstrahl durch ein Medium ausbreitet der Brechungsindex n 1 eine Schnittstelle erfüllt, um ein zweites Medium mit einem Brechungsindex n 2 &lt;n 1 tritt Totalreflexion an alle Einfallswinkel Θ, der größer als der kritische Winkel Θ c = sind arcsin (n 2 / n 1). Obwohl sie total reflektiert das einfallende Lichtstrahl Wucht einem evaneszenten elektromagnetischen Felds, das in das zweite Medium und nimmt exponentiell mit senkrechten Abstand z von der Grenzfläche eindringt gemäß I (z) = I 0 ez / d (Θ). I (z) entspricht der Intensität des elektromagnetischen Feldes und d (Θ) zu der Eindringtiefe bei der Wellenlänge λ, wie gegeben durch d (Θ) = (λ/4π) (n 1 2 sin 2 Θ - n 2 2) -1 / 2 Wie in der Literatur 1,2 berichtet, 0 I </ssub&gt; entspricht der Intensität des einfallenden Lichts I e mit der Transmissionsfaktor T (Θ) und dem Verhältnis n 2 / n 1 multipliziert. Wenn der elektrische Feldvektor des Lichts polarisiert ist senkrecht zur Einfallsebene (dh die Ebene, die durch den einfallenden und den reflektierten Strahl aufgespannten) wird diese Transmissionsfaktor gegeben durch T (Θ) = 4 cos 2 Θ / [ein - (n 2 / nL 1) 2] Für den erfassten Fluoreszenzintensität in TIRFM Messungen hat Lichtabsorption, über alle Schichten der Probe integriert werden und multipliziert mit der Fluoreszenzquantenausbeute η des jeweiligen Farbstoff sowie mit der Raumwinkel Ω Detektion. Wie bereits berichtet 3, kann diese Intensität beschrieben werden durch I F (Θ) = AT (Θ) OC (z) e-z / d (Θ) dz wenn alle Faktoren f die unabhängig sind<html> rom der Einfallswinkel Θ und die Koordinate z innerhalb des experimentellen konstanten A. Gleichung 3 enthalten kann analytisch gelöst werden, wenn die Konzentration c (z) von Fluorophoren vorliegt, gilt als nahezu konstant - Entweder überhaupt Koordinaten z ≥ Δ, im Zytoplasma von Zellen mit einem Abstand Δ von der Schnittstelle zB. In diesem Fall weist das Integral von z = Δ bis z = ∞ was zu berechnen I F = A c T (Θ) d (Θ) e-Δ / d (Θ) - Oder zwischen z = Δ - t / 2 und z = + Δ t / 2, dh innerhalb einer dünnen Schicht mit einer Dicke t, zB einer Zellmembran in einem Abstand Δ von der Schnittstelle angeordnet ist. In diesem Fall kann die Fluoreszenzintensität berechnet werden als I F = A c T (Θ) te-Δ / d (Θ) wenn t im Vergleich mit Δ klein. ent &quot;&gt; Aus den Gleichungen (4) und (5) Zell-Substrat-Abstände Δ berechnet werden, wenn die Bilder der Fluoreszenzintensität I F für variable Winkel Θ aufgezeichnet werden, und wenn ln (I F / T d) (Gl. 4) oder ln (I F / T) (Gl. 5) als Funktion von 1 / d für diese Winkel ausgewertet. Für die Membran Marker Laurdan in diesem Papier verwendet (s. unten) die Auswertung nach Gl. 5 durchgeführt wurde. Wie bereits berichtet 3, Bildaufnahme und Auswertung benötigt - Homogene Verteilung von Anregungslicht über die Probe, - Gültigkeit einer 2-Schichten-Modells (mit den Brechungsindizes n 1 und n 2 für das Substrat und das Zytoplasma, jeweils). Dies gilt, wenn die Plasmamembran ist sehr dünn, und wenn die Schicht aus dem extrazellulären Medium (zwischen der Zelle und dem Substrat) klein ist im Vergleich zur Wellenlänge des einfallenden Lichts. Zusätzlich kann eine moderate numerische Apertur(Typischerweise A ≤ 0,90) des Mikroskops Objektivlinse ist vorteilhaft, Abweichungen der Helligkeit aufgrund Anisotropie von Strahlung im nahen Feld des Dielektrikum-Grenzfläche zu vermeiden.

<table border="1"><tbody><tr><td> Name </td><td> Firma </td><td> Typ </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td> Inkubator </td><td> Nunc </td><td> Nunc CELLSTAR QM1300SVBA </td><td></td></tr><tr><td> Laminar Flow </td><td> Holten Sichere </td><td> S2010 1,2 EN GG 1LN </td><td></td></tr><tr><td> DMEM + 10% FCS + 1% Penicillin / Streptomycin </td><td> BIOCHROM </td><td></td><td> Kultivierungsmedium </td></tr><tr><td> Glas Objektträger </td><td> Marienfeld </td><td> Reines weißes Glas </td><td> Spezialreinigung Verfahren verwendet </td></tr><tr><td> 6-Dodecanoyl-2-dimethylamino Naphthalin (Laurdan) </td><td> Molecular Probes </td><td></td><td> Fluoreszierenden Marker (Stammlösung: 2 mM in Ethanol) </td></tr><tr><td> Mikroskop </td><td> Carl Zeiss </td><td> Axioplan 1 </td&gt; <td></td></tr><tr><td> Laserdiode </td><td> PicoQuant </td><td> LDH 400 mit Fahrer PDL 800-B </td><td> Wellenlänge: 391 nm </td></tr><tr><td> Singlemode-Faser-System </td><td> Point Source </td><td> kineFlex </td><td> Wird mit Kollimationsoptik </td></tr><tr><td> EMCCD-Kamera </td><td> Andor </td><td> DV887DC </td><td> Kamera hinten beleuchtet </td></tr></tbody></table>

nanotopology of cell adhesion upon variable-angle total internal reflection fluorescence microscopy (va-tirfm)

Oberflächentopologie, z. B. von Zellen wachsen auf einem Substrat, mit Nanometer-Präzision durch unterschiedlichen Winkeln Total Internal Reflection-Fluoreszenzmikroskopie (VA-TIRFM) bestimmt. Zellen werden auf transparente Folien kultiviert, gewaschen und mit einem fluoreszierenden Marker homogen in ihrem Plasma Membran verteilt. Beleuchtungssystem tritt durch einen parallelen Laserstrahl unter variablen Winkeln der inneren Totalreflexion (TIR) ​​mit unterschiedlichen Eindringtiefen der evaneszenten elektromagnetischen Feldes. Aufzeichnung von Bildern bei Bestrahlung Fluoreszenz bei etwa 10 unterschiedlichen Winkeln ermöglicht, Zell-Substrat-Abstände mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern berechnen. Unterschiede der Haftung zwischen verschiedenen Zelllinien, zB Krebszellen und weniger malignen Zellen werden somit bestimmt. Darüber hinaus können eventuelle Änderungen der Zelladhäsion auf chemische oder photodynamischen Behandlung geprüft. Im Vergleich mit anderen Methoden der super-hochauflösenden Mikroskopie Belichtung gehalten wirdsehr klein, und keine Beschädigung der lebenden Zellen erwartet wird.

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Nanotopology of Cell Adhesion upon Variable-Angle Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy VA-TIRFM

Topologie der Zelladhäsion auf einem Substrat mit Nanometer-Präzision durch verstellbarem Winkel Totalreflexion Fluoreszenzmikroskopie (VA-TIRFM) gemessen.

Nanotopologie der Zelladhäsion auf Variable-Angle Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy (VA-TIRFM)

Surface topology, e.g. of cells growing on a substrate, is determined with nanometer precision by Variable-Angle Total Internal Reflection Fluorescence ...

nanotopology-cell-adhesion-upon-variable-angle-total-internal

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Nanotopology of Cell Adhesion upon Variable-Angle Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy (VA-TIRFM)

10.1K Aufrufe.  Institut für Angewandte Forschung. Topologie der Zelladhäsion auf einem Substrat mit Nanometer-Präzision durch verstellbarem Winkel Totalreflexion Fluoreszenzmikroskopie (VA-TIRFM) gemessen.

Serie: Nanotopology of Cell Adhesion upon Variable-Angle Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy VA-TIRFM

Investigating Single Molecule Adhesion by Atomic Force Spectroscopy

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. At the same time the AFM tip is passivated to prevent unspecific interactions between the tip and the substrate, which is a prerequisite to study single molecules attached to the AFM tip. Analyses to determine the adhesion force, the adhesion length, and the free energy of these molecules on solid surfaces and bio-interfaces are shortly presented and external references for further reading are provided. Example molecules are the poly(amino acid) polytyrosine, the graft polymer PI-g-PS and the phospholipid POPE (1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine). These molecules are desorbed from different surfaces like CH3-SAMs, hydrogen terminated diamond and supported lipid bilayers under various solvent conditions. Finally, the advantages of force spectroscopic single molecule experiments are discussed including means to decide if truly a single molecule has been studied in the experiment.

A protocol to couple a large variety of single molecules covalently onto an AFM tip is presented. Procedures and examples to determine the adhesion force and free energy of these molecules on solid supports and bio-interfaces are provided.

Untersuchung von Einzelmolekül Haftung durch Rasterkraftspektroskopie

Atomic force spectroscopy is an ideal tool to study molecules at surfaces and interfaces. An experimental protocol to couple a large variety of single ...

Forschung

Ingenieurwesen

Visualization of Cortex Organization and Dynamics in Microorganisms, using Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy

TIRF microscopy has emerged as a powerful imaging technology to study spatio-temporal dynamics of fluorescent molecules in vitro and in living cells1. The optical phenomenon of total internal reflection occurs when light passes from a medium with high refractive index into a medium with low refractive index at an angle larger than a characteristic critical angle (i.e. closer to being parallel with the boundary). Although all light is reflected back under such conditions, an evanescent wave is created that propagates across and along the boundary, which decays exponentially with distance, and only penetrates sample areas that are 100-200 nm near the interface2. In addition to providing superior axial resolution, the reduced excitation of out of focus fluorophores creates a very high signal to noise ratios and minimizes damaging effects of photobleaching2,3. Being a widefield technique, TIRF also allows faster image acquisition than most scanning based confocal setups.
At first glance, the low penetration depth of TIRF seems to be incompatible with imaging of bacterial and fungal cells, which are often surrounded by thick cell walls. On the contrary, we have found that the cell walls of yeast and bacterial cells actually improve the usability of TIRF and increase the range of observable structures4-8. Many cellular processes can therefore be directly accessed by TIRF in small, single-cell microorganisms, which often offer powerful genetic manipulation techniques. This allows us to perform in vivo biochemistry experiments, where kinetics of protein interactions and activities can be directly assessed in living cells.
We describe here the individual steps required to obtain high quality TIRF images for Saccharomyces cerevisiae or Bacillus subtilis cells. We point out various problems that can affect TIRF visualization of fluorescent probes in cells and illustrate the procedure with several application examples. Finally, we demonstrate how TIRF images can be further improved using established image restoration techniques.

Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy is a powerful approach to observe structures close to the cell surface at high contrast and temporal resolution. We demonstrate how TIRF can be employed to study protein dynamics at the cortex of cell wall-enclosed bacterial and fungal cells.

Visualisierung von Cortex Organisation und Dynamik in Mikroorganismen, mit Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy

TIRF microscopy has emerged as  a powerful imaging technology to study spatio-temporal dynamics of fluorescent molecules  in vitro and in living cells1. ...

Biotechnik

Simultaneous Interference Reflection and Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy for Imaging Dynamic Microtubules and Associated Proteins

Several techniques have been employed for the direct visualization of cytoskeletal filaments and their associated proteins. Total-internal-reflection-fluorescence (TIRF) microscopy has a high signal-to-background ratio, but it suffers from photobleaching and photodamage of the fluorescent proteins. Label-free techniques such as interference reflection microscopy (IRM) and interferometric scattering microscopy (iSCAT) circumvent the problem of photobleaching but cannot readily visualize single molecules. This paper presents a protocol for combining IRM with a commercial TIRF microscope for the simultaneous imaging of microtubule-associated proteins (MAPs) and dynamic microtubules in vitro. This protocol allows for high-speed observation of MAPs interacting with dynamic microtubules. This improves on existing two-color TIRF setups by eliminating both the need for microtubule labeling and the need for several additional optical components, such as a second excitation laser. Both channels are imaged on the same camera chip to avoid image registration and frame synchronization problems. This setup is demonstrated by visualizing single kinesin molecules walking on dynamic microtubules.

We present a protocol for implementing interference-reflection microscopy and total-internal-reflection-fluorescence microscopy for the simultaneous imaging of dynamic microtubules and fluorescently labeled microtubule-associated proteins.

Simultane Interferenzreflexion und Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie zur Abbildung dynamischer Mikrotubuli und assoziierter Proteine

Several techniques have been employed for the direct visualization of cytoskeletal filaments and their associated proteins. ...

Biochemie

Visualizing Actin and Microtubule Coupling Dynamics In Vitro by Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy

Traditionally, the actin and microtubule cytoskeletons have been studied as separate entities, restricted to specific cellular regions or processes, and regulated by different suites of binding proteins unique for each polymer. Many studies now demonstrate that the dynamics of both cytoskeletal polymers are intertwined and that this crosstalk is required for most cellular behaviors. A number of proteins involved in actin-microtubule interactions have already been identified (i.e., Tau, MACF, GAS, formins, and more) and are well characterized with regard to either actin or microtubules alone. However, relatively few studies showed assays of actin-microtubule coordination with dynamic versions of both polymers. This may occlude emergent linking mechanisms between actin and microtubules. Here, a total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy-based in vitro reconstitution technique permits the visualization of both actin and microtubule dynamics from the one biochemical reaction. This technique preserves the polymerization dynamics of either actin filament or microtubules individually or in the presence of the other polymer. Commercially available Tau protein is used to demonstrate how actin-microtubule behaviors change in the presence of a classic cytoskeletal crosslinking protein. This method can provide reliable functional and mechanistic insights into how individual regulatory proteins coordinate actin-microtubule dynamics at a resolution of single filaments or higher-order complexes.

Visualizing Actin and Microtubule Coupling Dynamics In Vitro by Total Internal Reflection Fluorescence TIRF Microscopy

This protocol is a guide for visualizing dynamic actin and microtubules using an in vitro total internal fluorescence (TIRF) microscopy assay.

Visualisierung der Dynamik der Kopplungsdynamik von Aktin und Mikrotubuli in vitro durch Total-Internal-Reflection-Fluoreszenz-Mikroskopie (TIRF)

Traditionally, the actin and microtubule cytoskeletons have been studied as separate entities, restricted to specific cellular regions or processes, and ...

Visualizing Adhesion Formation in Cells by Means of Advanced Spinning Disk-Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy

In living cells, processes such as adhesion formation involve extensive structural changes in the plasma membrane and the cell interior. In order to visualize these highly dynamic events, two complementary light microscopy techniques that allow fast imaging of live samples were combined: spinning disk microscopy (SD) for fast and high-resolution volume recording and total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy for precise localization and visualization of the plasma membrane. A comprehensive and complete imaging protocol will be shown for guiding through sample preparation, microscope calibration, image formation and acquisition, resulting in multi-color SD-TIRF live imaging series with high spatio-temporal resolution. All necessary image post-processing steps to generate multi-dimensional live imaging datasets, i.e. registration and combination of the individual channels, are provided in a self-written macro for the open source software ImageJ. The imaging of fluorescent proteins during initiation and maturation of adhesion complexes, as well as the formation of the actin cytoskeletal network, was used as a proof of principle for this novel approach. The combination of high resolution 3D microscopy and TIRF provided a detailed description of these complex processes within the cellular environment and, at the same time, precise localization of the membrane-associated molecules detected with a high signal-to-background ratio.

An advanced microscope that permit fast and high-resolution imaging of both, the isolated plasma membrane and the surrounding intracellular volume, will be presented. The integration of spinning disk and total internal reflection fluorescence microscopy in one setup allows live imaging experiments at high acquisition rates up to 3.5 s per image stack.

Visualisierung von Adhäsion Bildung in den Zellen durch erweiterte Spinning-Disk-Total Internal Reflection-Fluoreszenz-Mikroskopie

In living cells, processes such as adhesion formation involve extensive structural changes in the plasma membrane and the cell interior. In order to ...

Control of Cell Adhesion using Hydrogel Patterning Techniques for Applications in Traction Force Microscopy

Traction force microscopy (TFM) is the main method used in mechanobiology to measure cell forces. Commonly this is being used for cells adhering to flat soft substrates that deform under cell traction (2D-TFM). TFM relies on the use of linear elastic materials, such as polydimethylsiloxane (PDMS) or polyacrylamide (PA). For 2D-TFM on PA, the difficulty in achieving high throughput results mainly from the large variability of cell shapes and tractions, calling for standardization. We present a protocol to rapidly and efficiently fabricate micropatterned PA hydrogels for 2D-TFM studies. The micropatterns are first created by maskless photolithography using near-UV light where extracellular matrix proteins bind only to the micropatterned regions, while the rest of the surface remains non-adhesive for cells. The micropatterning of extracellular matrix proteins is due to the presence of active aldehyde groups, resulting in adhesive regions of different shapes to accommodate either single cells or groups of cells. For TFM measurements, we use PA hydrogels of different elasticity by varying the amounts of acrylamide and bis-acrylamide and tracking the displacement of embedded fluorescent beads to reconstruct cell traction fields with regularized Fourier Transform Traction Cytometry (FTTC).
To further achieve precise recording of cell forces, we describe the use of a controlled dose of patterned light to release cell tractions in defined regions for single cells or groups of cells. We call this method local UV illumination traction force microscopy (LUVI-TFM). With enzymatic treatment, all cells are detached from the sample simultaneously, whereas with LUVI-TFM traction forces of cells in different regions of the sample can be recorded in sequence. We demonstrate the applicability of this protocol (i) to study cell traction forces as a function of controlled adhesion to the substrate, and (ii) to achieve a greater number of experimental observations from the same sample.

Near-UV lithography and traction force microscopy are combined to measure cellular forces on micropatterned hydrogels. The targeted light-induced release of single cells enables a high number of measurements on the same sample.

Kontrolle der Zelladhäsion mit Hydrogel-Patterning-Techniken für Anwendungen in der Zugkraftmikroskopie

Traction force microscopy (TFM) is the main method used in mechanobiology to measure cell forces. Commonly this is being used for cells adhering to flat ...

Oligomerization Dynamics of Cell Surface Receptors in Living Cells by Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy Combined with Number and Brightness Analysis

Despite the importance and ubiquity of receptor oligomerization, few methods are applicable for detecting clustering events and measuring the degree of clustering. Here, we describe an imaging approach to determine the average oligomeric state of mEGFP-tagged-receptor homocomplexes in the membrane of living cells. The protocol is based on Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy combined with Number and Brightness (N&#38;B) analysis. N&#38;B is a method similar to fluorescence-correlation spectroscopy (FCS) and photon counting histogram (PCH), which are based on the statistical analysis of the fluctuations of the fluorescence intensity of fluorophores diffusing in and out of an illumination volume during an observation time. In particular, N&#38;B is a simplification of PCH to obtain information on the average number of proteins in oligomeric mixtures. The intensity fluctuation amplitudes are described by the molecular brightness of the fluorophore and the average number of fluorophores within the illumination volume. Thus, N&#38;B considers only the first and second moments of the amplitude distribution, namely, the mean intensity and the variance. This is, at the same time, the strength and the weakness of the method. Because only two moments are considered, N&#38;B cannot determine the molar fraction of unknown oligomers in a mixture, but it only estimates the average oligomerization state of the mixture. Nevertheless, it can be applied to relatively small time series (compared to other moment methods) of images of live cells on a pixel-by-pixel basis, simply by monitoring the time fluctuations of the fluorescence intensity. It reduces the effective time-per-pixel to a few microseconds, allowing acquisition in the time range of seconds to milliseconds, which is necessary for fast oligomerization kinetics. Finally, large cell areas as well as sub-cellular compartments can be explored.

We describe an imaging approach for the determination of the average oligomeric state of mEGFP-tagged-receptor oligomers induced by ligand binding in the plasma membrane of living cells. The protocol is based on Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy combined with Number and Brightness (N&#38;B) analysis.

Oligomerisierungsdynamik von Zelloberflächenrezeptoren in lebenden Zellen durch totale interne Reflexionsfluoreszenzmikroskopie kombiniert mit Zahlen- und Helligkeitsanalyse

Despite the importance and ubiquity of receptor oligomerization, few methods are applicable for detecting clustering events and measuring the degree of ...

Biologie

Imaging Molecular Adhesion in Cell Rolling by Adhesion Footprint Assay

Rolling adhesion, facilitated by selectin-mediated interactions, is a highly dynamic, passive motility in recruiting leukocytes to the site of inflammation. This phenomenon occurs in postcapillary venules, where blood flow pushes leukocytes in a rolling motion on the endothelial cells. Stable rolling requires a delicate balance between adhesion bond formation and their mechanically-driven dissociation, allowing the cell to remain attached to the surface while rolling in the direction of flow. Unlike other adhesion processes occurring in relatively static environments, rolling adhesion is highly dynamic as the rolling cells travel over thousands of microns at tens of microns per second. Consequently, conventional mechanobiology methods such as traction force microscopy are unsuitable for measuring the individual adhesion events and the associated molecular forces due to the short timescale and high sensitivity required. Here, we describe our latest implementation of the adhesion footprint assay to image the P-selectin: PSGL-1 interactions in rolling adhesion at the molecular level. This method utilizes irreversible DNA-based tension gauge tethers to produce a permanent history of molecular adhesion events in the form of fluorescence tracks. These tracks can be imaged in two ways: (1) stitching together thousands of diffraction-limited images to produce a large field of view, enabling the extraction of adhesion footprint of each rolling cell over thousands of microns in length, (2) performing DNA-PAINT to reconstruct super-resolution images of the fluorescence tracks within a small field of view. In this study, the adhesion footprint assay was used to study HL-60 cells rolling at different shear stresses. In doing so, we were able to image the spatial distribution of the P-selectin: PSGL-1 interaction and gain insight into their molecular forces through fluorescence intensity. Thus, this method provides the groundwork for the quantitative investigation of the various cell-surface interactions involved in rolling adhesion at the molecular level.

This protocol presents the experimental procedures to perform the adhesion footprint assay to image the adhesion events during fast cell rolling adhesion.

Abbildung der molekularen Adhäsion im Zellrollen durch Adhäsion Footprint Assay

Rolling adhesion, facilitated by selectin-mediated interactions, is a highly dynamic, passive motility in recruiting leukocytes to the site of ...

Tension Gauge Tether Probes for Quantifying Growth Factor Mediated Integrin Mechanics and Adhesion

Multicellular organisms rely on interactions between membrane receptors and cognate ligands in the surrounding extracellular matrix (ECM) to orchestrate multiple functions, including adhesion, proliferation, migration, and differentiation. Mechanical forces can be transmitted from the cell via the adhesion receptor integrin to ligands in the ECM. The amount and spatial organization of these cell-generated forces can be modulated by growth factor receptors, including epidermal growth factor receptor (EGFR). The tools currently available to quantify crosstalk-mediated changes in cell mechanics and relate them to&#160;focal adhesions, cellular morphology, and signaling are limited. DNA-based molecular force sensors known as tension gauge tethers (TGTs) have been employed to quantify these changes. TGT probes are unique in their ability to both modulate the underlying force threshold and report piconewton scale receptor forces across the entire adherent cell surface at diffraction-limited spatial resolution. The TGT probes used here rely on the irreversible dissociation of a DNA duplex by receptor-ligand forces that generate a fluorescent signal. This allows quantification of the cumulative integrin tension (force history) of the cell. This article describes a protocol employing TGTs to study the impact of EGFR on integrin mechanics and adhesion formation. The assembly of&#160;the TGT mechanical sensing platform is systematically detailed and the procedure to image forces, focal adhesions, and cell spreading is outlined. Overall, the ability to modulate the underlying force threshold of the probe, the adhesion ligand, and the type and concentration of growth factor employed for stimulation make this a robust platform for studying the interplay of diverse membrane receptors in regulating integrin-mediated forces.

TGT surface is an innovative platform to study growth factor-integrin crosstalk. The flexible probe design, specificity of the adhesion ligand, and precise modulation of stimulation conditions allow robust quantitative assessments of EGFR-integrin interplay. The results highlight EGFR as a 'mechano-organizer' tuning integrin mechanics, influencing focal adhesion assembly and cell spreading.

Zugspannungsmessstreifen zur Quantifizierung von Wachstumsfaktor-vermittelter Integrinmechanik und Adhäsion

Multicellular organisms rely on interactions between membrane receptors and cognate ligands in the surrounding extracellular matrix (ECM) to orchestrate ...

TIRF Microscopy to Visualize Actin and Microtubule Coupling Dynamics

Source: Henty-Ridilla, J.L., <a href="https://app.jove.com/v/64074">Visualizing Actin and Microtubule Coupling Dynamics In Vitro by Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy.</a> J. Vis. Exp. (2022)
This video describes TIRF, a total internal reflection microscopy-based technique to visualize actin and microtubule polymerization dynamics. The method allows the high-resolution imaging of actin and microtubule coupling dynamics in real-time, which is essential for understanding cellular crosstalks.

TIRF-Mikroskopie zur Visualisierung der Kopplungsdynamik von Aktin und Mikrotubuli

Source: Henty-Ridilla, J.L., Visualizing Actin and Microtubule Coupling Dynamics In Vitro by Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Microscopy. J. ...