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Method Article
Se presentan dos independientes, basados en microscopio de herramientas para medir las deformaciones inducidas nuclear y del citoesqueleto en habitaciones individuales, que viven las células adherentes en respuesta a la aplicación de la tensión global o localizada. Estas técnicas se utilizan para determinar la rigidez nuclear (es decir, la deformabilidad) y para investigar la transmisión de fuerza intracelular entre el núcleo y el citoesqueleto.
En la mayoría de las células eucariotas, el núcleo es el más grande del orgánulo y es de 2 a 10 veces más rígido que el citoesqueleto de los alrededores y, en consecuencia, las propiedades físicas del núcleo de contribuir de manera significativa al comportamiento general de biomecánica de las células en condiciones fisiológicas y patológicas. Por ejemplo, en la migración de neutrófilos y la invasión de las células cancerosas, rigidez nuclear puede suponer un gran obstáculo en la extravasación o paso a través de espacios estrechos dentro de los tejidos. 1 Por otro lado, el núcleo de las células en el tejido mecánicamente activos como el músculo requiere un soporte estructural suficiente para soportar la tensión mecánica repetitiva. Es importante destacar que el núcleo está estrechamente integrado en la arquitectura celular, que está conectado físicamente con el citoesqueleto de los alrededores, que es un requisito crítico para el movimiento intracelular y la posición del núcleo, por ejemplo, en células polarizadas, los núcleos sinápticas en las uniones neuromusculares o en la migración de las células. 2 No es sorprendente que las mutaciones en proteínas de la envoltura nuclear, tales como laminas y nesprins, que juegan un papel crítico en la determinación de la rigidez nuclear y el acoplamiento núcleo-citoesqueleto, se ha demostrado recientemente para dar lugar a una serie de enfermedades humanas, incluyendo Emery- La distrofia muscular Dreifuss, la integridad física, distrofia muscular, y la miocardiopatía dilatada. 3 Para investigar la función biofísica de diversas proteínas de la envoltura nuclear y el efecto de mutaciones específicas, hemos desarrollado métodos experimentales para estudiar las propiedades físicas del núcleo de las células individuales, salón sometido a la perturbación mecánica global o localizada. La medición de deformaciones inducidas nuclear en respuesta a la solicitud aplicadas precisamente la tensión del sustrato proporciona información importante sobre la deformabilidad del núcleo y permite la comparación cuantitativa entre las diferentes mutaciones o líneas celulares deficientes de proteínas específicas de membrana nuclear. Aplicación localizada cepa del citoesqueleto con una microaguja se utiliza para complementar este ensayo, y puede proporcionar información adicional sobre la transmisión de la fuerza intracelular entre el núcleo y el citoesqueleto. El estudio de la mecánica nuclear en las células vivas intactas conserva la arquitectura intracelular normal y evita posibles artefactos que pueden surgir cuando se trabaja con núcleos aislados. Además, la aplicación del sustrato cepa presenta un buen modelo para el estrés fisiológico que experimentan las células en los músculos u otros tejidos (por ejemplo, células del músculo liso vascular expuesto a la cepa del barco). Por último, si bien estas herramientas han sido desarrolladas principalmente para estudiar mecánica nuclear, también se puede aplicar a investigar la función de las proteínas del citoesqueleto y la señalización mecanotransducción.
1. Substrato cepa
La medición de la tensión nuclear normalizado incluye la preparación de platos de presión con membranas transparentes, elástico de silicona como la superficie de cultivo de células, las células de revestimiento sobre la vajilla, y la adquisición de imágenes de las células antes, durante y después de la aplicación cepa (uniaxial o biaxial).
Preparación de platos membrana de silicona y la adhesión de las células
Experimentos sustrato cepa
Análisis
2. Microagujas ensayo de la manipulación
Preparación de los platos, las células adherentes, y microagujas
Microagujas experimento de manipulación
Análisis
3. Los resultados representativos:
Substrato cepa
Hemos adquirido las imágenes antes, durante y después de la aplicación de la tensión fibroblastos embrionarios de ratón a partir de heterocigotos y homocigotos lamina A / C-deficiente (LMNA + / - y LMNA - / -), y de tipo salvaje (LMNA + / +) y, posteriormente, los ratones calcula la tensión normalizada nuclear para cada celda. Tras el análisis, los núcleos son validados y las células que se dañan o se retraen durante la aplicación de la tensión son excluidos del análisis. La figura 1A muestra los núcleos de las tres células que son válidos, mientras que la Figura 1B muestra las células que deben ser excluidos del análisis. Normalizado de datos tensión nuclear se reúnen por lo menos tres experimentos independientes (cada uno con las mediciones de los núcleos de ~ 5-10) y en comparación con otras células o grupos de tratamiento mediante el análisis estadístico. Aumento de la tensión nuclear normalizado indica menor rigidez nuclear, como se ve en las células con una menor expresión de las proteínas de envoltura nuclear lamina A / C (Figura 2).
Microagujas ensayo de la manipulación
Para la prueba de la manipulación de microagujas, que imágenes desplazamientos nucleares y del citoesqueleto durante la aplicación localizada cepa del citoesqueleto. Las células que se dañan o separados son excluidos del análisis. Para el análisis, podemos medir la magnitud de los movimientos nucleares y del citoesqueleto hacia el lugar de aplicación de la fuerza en las células individuales, adherente. Por ejemplo, en la figura 3, hacemos un seguimiento de las mitocondrias (marcador para el citoesqueleto) desplazamientos antes y después de un esfuerzo del citoesqueleto y luego trazar los desplazamientos como vectores. Cada vector representa el desplazamiento calcula como el cambio entre la ubicación original y la posición recientemente identificados. Las regiones con baja intensidad de la imagen o textura insuficiente (por ejemplo, las regiones fuera de la célula) se excluyeron del análisis. Los desplazamientos del citoesqueleto y nucleares son entonces cuantificado en áreas selectas a distancias cada vez mayores de la zona de aplicación cepa (Figura 4, las áreas correspondientes a los colores boequis en el recuadro). En fibroblastos de embriones de ratón con el citoesqueleto intacto núcleo-acoplamiento, las fuerzas se transmiten a través de las células de todo, lo que indujo deformaciones nucleares y del citoesqueleto que poco a poco se disipan fuera de la zona de aplicación cepa (Figura 4). Por el contrario, los fibroblastos con trastornos núcleo-citoesqueleto de acoplamiento (o la organización del citoesqueleto alterado) muestran desplazamientos localizados cerca del lugar de aplicación, como se muestra en la Figura 4 y sólo deformaciones inducidas por poco más lejos. Aplicación comparables cepa del citoesqueleto en el sitio de inserción de microagujas (recuadro naranja) se observa tanto para los fibroblastos control (mCherry solos) y los fibroblastos con un núcleo-interrumpió el citoesqueleto de acoplamiento (DN KASH). Sin embargo, los desplazamientos inducidos nuclear y del citoesqueleto (azul, amarillo, rojo y cajas) en otras regiones fueron significativamente menores en los fibroblastos con núcleo-interrumpió citoesqueleto de acoplamiento (DN KASH) que en las células control (mCherry solo) (Figura 4). Por lo tanto, la disminución de los desplazamientos del citoesqueleto y nucleares lejos de la zona de aplicación cepa, indica que la transmisión de fuerza entre el citoesqueleto y el núcleo estaba perturbado.
Es importante destacar que también hemos validado que las mitocondrias son marcadores citoesqueleto adecuada, mediante la realización de la manipulación de microagujas en fibroblastos embrionarios de ratón transfectadas con GFP-actina o mCherry y las buenas prácticas agrarias vimentina y marcados con fluorescencia con Mitotracker verde o rojo. Mapas del citoesqueleto de desplazamiento se calculan de forma independiente de la señal fluorescente de la mitocondria y el citoesqueleto de actina y vimentina. El desplazamiento absoluto promedio se calculó para cuatro regiones distintas del citoesqueleto a distancias cada vez mayores fuera de la zona de aplicación cepa. Los valores de pendiente y R-cuadrado se calcula a partir de la regresión lineal entre las medidas obtenidas de las mitocondrias y de la actina y vimentina, respectivamente. Para la actina, la pendiente fue de 0,99 y el valor de R 2 fue 0.986, para la vimentina, la pendiente fue de 1,04 y el valor de R2 fue 0,971, lo que confirma que los desplazamientos de las mitocondrias sirven como indicadores fiables de las deformaciones del citoesqueleto.
Figura 1. Aplicación sustrato tensión en fibroblastos embrionarios de ratón (MEFs). Fibroblastos embrionarios de ratón en dos ámbitos distintos en la membrana de silicona son imágenes con contraste de fases y microscopía de fluorescencia antes, durante y después de la aplicación del 20% de deformación uniaxial. (A) Ejemplo de un experimento exitoso con núcleos válidos a partir de células que sobrevivieron a la aplicación de la tensión sin ningún tipo de daño o desprendimiento y (B) ejemplo de las células que se retraen / parcial de la retina durante la aplicación de la tensión, los resultados de las células se muestra en (B) están excluidos del análisis. En (B), la célula en el lado izquierdo muestra signos de daño del citoesqueleto y el colapso nuclear (flecha), mientras que la célula en el lado derecho se desprende en parte y se retrae durante la aplicación de la tensión. Esto puede ser una indicación de la aplicación excesiva tensión. Para una mejor comparación, en (A) y (B) de la frontera de una de las membranas celulares sin estirar se resume en rojo y se superponen en la misma celda durante y después de la aplicación cepa. En (A) de la frontera del núcleo sin estirar se describe en verde y se superponen en el mismo núcleo durante y después de la aplicación cepa.
Figura 2. Análisis de la tensión normalizada nuclear en un panel de diferentes líneas de células MEF MEFs del LMNA -. / - Y LMNA + / - los antecedentes genéticos ectópica manifieste un vector vacío o lamina de tipo salvaje A se analizaron. En comparación con MEFs de tipo salvaje littermates (LMNA + / +), la pérdida de la lamina A los resultados / C expresión en la rigidez diminuyen nuclear que puede ser totalmente restaurado por la reintroducción de tipo salvaje lamina A. En particular, la reducción de la rigidez nuclear se refleja en aumento de los valores de la tensión nuclear normalizado. Las barras de error representan los errores típicos.
Figura 3. Ensayo de la manipulación de microagujas para medir la transmisión de la fuerza intracelular. Contraste de fases (A, B) y fluorescencia (C, D) las imágenes de un fibroblasto etiquetados con tinción nuclear (azul) y MitoTracker mitocondrial mancha (verde). A microagujas se insertó en el citoesqueleto a una determinada distancia del núcleo (A y C) y, posteriormente, se dirigió hacia la periferia de la célula (B, D). Desplazamientos del citoesqueleto y nucleares fueron cuantificados por el núcleo de seguimiento de la etiqueta fluorescente y las mitocondrias con una custom-written algoritmo de correlación cruzada. (E) del mapa de desplazamiento del citoesqueleto final (verde) deformaciones calculadas a partir de series de imágenes de fluorescencia, longitud de la flecha se multiplica por 2 para una mejor visibidad. Las barras de escala, 10 micras.
Figura 4. Análisis de la transmisión de la fuerza intracelular durante la manipulación de microagujas. Inducida por desplazamientos del citoesqueleto y nucleares durante la manipulación de microagujas, medida en las áreas correspondientes a las casillas de color (el recuadro en la A). El cuadro naranja es el lugar de aplicación cepa. A pesar de la aplicación cepa similar en el citoesqueleto (recuadro naranja), inducida por el desplazamiento nuclear y del citoesqueleto (azul, amarillo, rojo y cajas) fueron significativamente menores en los fibroblastos de embriones de ratón que con un núcleo-interrumpió el citoesqueleto de acoplamiento (DN KASH) en comparación con el control ( mCherry solo) las células.
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Sustrato de ensayo de tensión
Aplicación de la tensión se ha utilizado con éxito por nosotros y otros grupos para estudiar las deformaciones inducidas nuclear en las células sometidas a esfuerzos mecánicos y para investigar la contribución de determinadas proteínas de la envoltura nuclear a la rigidez nuclear. 4.8 La ventaja de esta técnica es que las sondas de las propiedades mecánicas de vida de los núcleos de su entorno celular normal y el citoesqueleto y que la aplicac...
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No hay conflictos de interés declarado.
Este trabajo fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (R01 HL082792 y NS059348 R01) y el Hospital Brigham and Cardiovascular Premio de Liderazgo Femenino Grupo.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nombre del reactivo | Empresa | Número de catálogo | |
Fibronectina | Millipore | FC010 | |
MitoTracker Red FM y FM Verde | Invitrogen | M22425 y M-7514 | |
Hoechst 33342 | Invitrogen | H3570 | |
Buffered Saline sal de Hank | Invitrogen | 14185 | |
Fenol libre, DMEM | Invitrogen | 21063 | |
De suero fetal bovino | Aleken Biológicos | FBSS500 | |
Penicilina / estreptomicina | Sigma | P0781-100ML | |
Vidrio borosilicato con filamento | Sutter Instrumento | BF100-78-10 | |
Brillo / brillo no reforzado láminas de silicona, 0.005 " | Especialidad Manufacturing Inc. | ||
Fosfato de Dulbecco solución salina tamponada | Invitrogen | 14200 | |
35 mm de vidrio platos fondo la cultura (FluoroDish) | World Precision Instruments, INC | FD35-100 | |
Braycote 804 Grasa de vacío | SPI Supplies | 05133A-AB |
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