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La comunicación entre celulares es fundamental para el control de diversas actividades fisiológicas dentro y fuera de la célula. En este trabajo se describe un protocolo para la medición de la naturaleza espacio-temporal de las secreciones de células individuales. Para ello, se utiliza un enfoque multidisciplinario que integra nanoplasmonic etiqueta libre de detección con imágenes de células vivas.
Inter-cellular communication is an integral part of a complex system that helps in maintaining basic cellular activities. As a result, the malfunctioning of such signaling can lead to many disorders. To understand cell-to-cell signaling, it is essential to study the spatial and temporal nature of the secreted molecules from the cell without disturbing the local environment. Various assays have been developed to study protein secretion, however, these methods are typically based on fluorescent probes which disrupt the relevant signaling pathways. To overcome this limitation, a label-free technique is required.
In this paper, we describe the fabrication and application of a label-free localized surface plasmon resonance imaging (LSPRi) technology capable of detecting protein secretions from a single cell. The plasmonic nanostructures are lithographically patterned onto a standard glass coverslip and can be excited using visible light on commercially available light microscopes. Only a small fraction of the coverslip is covered by the nanostructures and hence this technique is well suited for combining common techniques such as fluorescence and bright-field imaging.
A multidisciplinary approach is used in this protocol which incorporates sensor nanofabrication and subsequent biofunctionalization, binding kinetics characterization of ligand and analyte, the integration of the chip and live cells, and the analysis of the measured signal. As a whole, this technology enables a general label-free approach towards mapping cellular secretions and correlating them with the responses of nearby cells.
Comunicación entre celular es crucial para la regulación de muchas actividades fisiológicas dentro y fuera de la célula. Una variedad de proteínas y vesículas puede ser secretada que, posteriormente, activar procesos celulares complejos, tales como la diferenciación, la curación de heridas, la respuesta inmune, la migración, y la proliferación. 1-5 de fallos de funcionamiento de las vías de señalización inter-celulares han sido implicados en numerosos trastornos, incluyendo el cáncer, la aterosclerosis , y la diabetes, para nombrar unos pocos.
El ensayo óptima secreción celular debe ser capaz de mapear espacialmente y temporalmente la proteína secretada de interés sin interrumpir las vías de señalización pertinentes. De esta manera las relaciones causales entre los perfiles de concentración y la respuesta de las células receptoras se pueden deducir. Por desgracia, muchas de las técnicas a base de fluorescentes más comúnmente utilizados no cumplen con estos criterios. Proteínas de fusión fluorescentes se pueden utilizar para etiquetar el analito wentro de la célula, pero puede interrumpir la vía secretora, o si secretada, resulta en una luz difusa fuera de la célula, que es difícil de cuantificar. Ensayos basados en immunosandwich fluorescentes son las técnicas más comúnmente utilizadas para la detección de secreciones celulares pero típicamente requieren el aislamiento de células individuales 6-11. Además, la introducción del anticuerpo de detección típicamente se detiene o termina el experimento y el tamaño de las etiquetas de anticuerpos, 150 kDa para la IgG, es un impedimento para la señalización corriente abajo.
Debido a estos obstáculos es preferible que una técnica de etiqueta libre de ser utilizado para las secreciones de proteínas imagen y entre las tecnologías existentes de etiqueta libre, resonancia de plasmón superficial (SPR) y localizada resonancia de plasmón superficial (LSPR) sensores son excelentes candidatos 12-17. Estos sensores han sido ampliamente utilizados para estudios de unión de analito de proteínas, exosomas y otros biomarcadores. 18-24 de En el caso de LSPR, la nanostr plasmónicauctures pueden ser modelados litográficamente en cubreobjetos de vidrio y emocionado usando la luz visible a través de las configuraciones estándar de microscopía de campo amplio. Debido a su huella de nanoescala, la mayoría del sustrato de vidrio está disponible para las técnicas de imagen comunes como de campo brillante y microscopía de fluorescencia haciendo así estas sondas adecuado para la integración con la microscopía de células vivas 25-28. Hemos demostrado la medición en tiempo real de las secreciones de anticuerpos a partir de células de hibridoma utilizando nanoestructuras plasmónicas oro funcionalizado con resoluciones espaciales y temporales de 225 ms y 10 m, respectivamente. La configuración básica de chip se ilustra en la Figura 1. 28 La trayectoria de la luz de salida del microscopio se divide entre una cámara CCD utilizada para las imágenes y un espectrómetro junto fibra óptica para la determinación cuantitativa de ocupación fraccional de una matriz dada de nanoestructuras (Figura 2 ).
El protocol se presenta en este artículo se describe el diseño experimental para la medición en tiempo real de las secreciones de células individuales y al mismo tiempo el control de la respuesta de las células por medio de la microscopía de campo claro estándar. El enfoque multidisciplinario incluye la fabricación de nanoestructuras, la funcionalización de las nanoestructuras para la alta afinidad de unión de analitos, la optimización de la superficie tanto para minimizar la unión no específica y la caracterización de las constantes cinéticas uso de una superficie comercial Plasmon Resonance (SPR) instrumento, la integración de las líneas celulares sobre el sustrato, y el análisis de imágenes y datos espectrales. Anticipamos que esta técnica es una tecnología que permite la asignación de espacio-temporal de las secreciones celulares y sus relaciones causales con las células receptoras.
Fabricación 1. Nanoestructura
2. Chip de Limpieza y Aplicación de la auto-ensambladas monocapa
3. La funcionalización de superficies y Kinetic Caracterización
Nota: Utilice el chip funcionalizado en el instrumento SPR comercial para caracterizar las constantes de velocidad cinética entre el ligando y el analito, así como para estudiar la resistencia de SAM a no específica bncontrar. Hay una amplia gama de caudales y diseños de microfluidos que permiten funcionalización de la superficie eficiente. Puesto que tenemos una SPR disponible en el mercado nos estandarizado en torno a sus caudales recomendados. Observamos que estos caudales son típicos de todos los instrumentos SPR y así no son restrictivas. El instrumento SPR no es una necesidad ya que todos funcionalización se puede hacer directamente en el chip LSPR, pero redujo nuestra carga de trabajo, ya que es un instrumento de multiplexado mientras que nuestra configuración de microfluidos LSPR no lo es.
Ajustes 4. LSPR Generales
5. LSPR Imaging de secreciones anti-c-myc 9E10 de células de hibridoma
Nota: La línea celular de hibridoma utilizado para este estudio expresan anticuerpo anti-c-myc constitutivamente y por lo tanto no requieren un disparador químico
En un estudio típico de secreción de células vivas existen múltiples modos de recogida de datos que tiene lugar. La figura 3 muestra una superposición de una imagen LSPRi, lo que pone de relieve las matrices cuadradas, y una imagen iluminada de luz transmitida que pone de relieve la célula abajo a la izquierda. Los datos se recogen típicamente durante un período de 3 horas, seguido por la introducción de una solución saturante de analito para el cálculo de normalización se describe a continuación. Las imágenes de fluorescencia también se puede integrar en la rutina de recopilación de datos por la conmutación automática de un cubo de filtro. En la figura 4 una célula teñida con el colorante fluorescente membrana rodamina DHPE exhibe extensiones lamellipodia como (flechas). Si estas extensiones fueron a solaparse con los arreglos que les dan un falso positivo para la secreción de proteínas. Tener múltiples modos de imágenes puede ayudar a identificar estos hechos.
La Figura 5 muestra datos de espectrometría de antes y de popaer la introducción de una solución de saturación (400 nM) de adquirirse comercialmente anticuerpos anti-c-myc a los arrays funcionalizados c-myc. No hay células estaban presentes en este experimento. El espectro muestra tanto un desplazamiento hacia el rojo y un aumento en la intensidad. La diferencia entre las áreas bajo las dos curvas se traduce en un aumento en la intensidad de la imagen en el modo de matriz LSPRi en la cámara CCD. Un enfoque menos el análisis de datos cuadrados no lineales ha sido desarrollado para inferir la ocupación fraccional de ligandos unidos a la superficie de los espectros. 30,31
Al final del experimento, los valores de intensidad saturado (es decir, fraccionada ≈ ocupación 1) se utilizan para calcular una respuesta normalizada para cada matriz mediante la siguiente fórmula:
¿Dónde están la intensidad normalizada en el tiempo t punto, la intensidad inicial al comienzo del experimento, intensidad final saturada, y se mide la intensidad de la matriz en el momento t punto respectivamente.
Los valores normalizados de dos matrices se muestran en la Figura 6. Una matriz estaba dentro de 10 micras de la célula bajo investigación mientras que el otro, utilizado como control, era una distancia de 130 m de la célula. El aumento repentino en la respuesta normalizada de la matriz más cerca de la celda respecto a la respuesta plana de la matriz de control es indicativo de una ráfaga localizada de anticuerpos secretados.
Figura 1. Diseño del sensor. Un dibujo que representa la geometría de un experimento típico de la secreción de células vivas. La célula (esferoide azul) se deposita sobre al chip LSPR que contiene matrices de nanoestructuras de oro biofuncionalizadas. En la vista ampliada-in, la secreción celular de interés, en este caso los anticuerpos mostrados como moléculas en forma de Y, se mide como se unen a la superficiede las nanoestructuras funcionalizados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Configuración óptica. La luz iluminada por una lámpara halógena es primero filtrada por un filtro de paso largo (LP). La luz está polarizada linealmente (P1) y se ilumina la muestra a través de un objetivo de 40X / 1.4 NA. La luz dispersada es recogida por el objetivo y se pasa a través de un polarizador cruzado (P2). Un divisor del haz 50/50 (BS) se inserta en la trayectoria de la luz recogida para espectroscópico simultánea y análisis de imágenes. Arriba a la derecha:. Una imagen microscopía de fuerza atómica de 9 nanoestructuras individuales separadas por un lanzamiento de 300 nm Haga clic aquípara ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Vivo Cell LSPRi Estudio. Un fusionó imagen LSPRi luz transmitida y que muestra una sola célula de hibridoma (abajo a la izquierda), rodeada de 12 matrices. Esta es una imagen de contraste mejorado. La barra de escala es de 10 micras. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. Estudio de fluorescencia de células vivas. Una imagen en color falso fluorescente de una sola célula de hibridoma se tiñeron con rodamina DHPE, que es un colorante de la membrana. En el modo de imágenes fluorescentes las matrices generalmente no son visibles, sin embargo, una matriz cercano es observable aquí como abcarecer de plaza en la esquina inferior derecha. La célula puede ser visto para ser separados de la matriz aunque extensiones como tentáculos (posiblemente filopodios o lamellipodia) se extiende hacia el exterior de las células (flechas). La barra de escala es de 10 micras. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. espectral modalidad. Los espectros obtenidos a partir de una matriz funcionalizado c-myc antes y después de la introducción de 400 nM solución de anticuerpos anti-c-myc. No hay células estaban presentes en este estudio. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6. Secreción sola célula. La respuesta de una matriz situada dentro de 15 micras de una sola célula y una situada 130 m de distancia (Control). La barra de escala es de 10 micras. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
The LSPR imaging technique described in this work has numerous advantages over more traditional methodologies for detecting cell secretions. First, the time resolution of our technique is on the order of seconds whereas the commercial alternative, an immunosandwhich assay known as EliSpot, has a typical time resolution of 2 to 3 days.7,32 As a result we were able to resolve sudden changes in the rate of protein secretion, such as that shown in Figure 6. Second, having arrays distributed over the chip allows for the secreted signal to be tracked in space and time which enables more rigorous comparisons to diffusion-based models of cell secretion. In addition, arrays like the control array shown in Figure 6 can be used to subtract out global changes in the image that typically arise from instrumental factors such as focus drift. Third, our technique requires no modification of the cells. If desired, the experiment can incorporate commonly used tags such as fluorescent proteins, but if there is concern that such tags may negatively affect cell viability or homeostasis the label-free nature of our approach does not require them. Fourth, using the spectroscopic data we have demonstrated that quantitative information regarding the fractional occupancy of surface bound ligands can be calculated.
There are numerous alternative methods to EBL for fabricating metallic nanoparticles. However, we have found that the EBL provides considerable flexibility for optimizing nanostructure and array dimensions to best suit the optics and the cells under investigation. Also critical is the fact that the chips can be readily regenerated by plasma ashing. In this way, a typical chip can be used dozens of times. Biofunctionalization details must be modified for the specific application. The protocol presented here conjugated the surface with relatively small c-myc peptide ligands. Larger ligands such as whole antibodies typically require more spacing and thus a higher SPO to SPN/SPC ratio. Regardless, a well formed SAM layer is essential for preventing non-specific binding in live-cell experiments. In general, larger molecular weight analytes are more readily detected by LSPR. Thus, in its single-cell manifestation, this technique may not be appropriate for detecting the secretion of small proteins, such as cytokines.
The current setup has been used for studying individual non-adherent cells. There are significant number of secreted signaling proteins and vesicles to which the results reported in this work are directly applicable. For example carcinoembryonic antigen (CEA) which for decades now has been a diagnostic marker for cancer. Colon cancer cells are known to secrete CEA at the rates of thousands of molecules/cell/hr and the molecular weight is 180 kDa which exceeds that of IgG antibodies. CEA is believed to be involved in autocrine and paracrine signaling pathways but the spatio-temporal nature of these secretions have never been measured. Our technique can directly address these signaling questions. An extension of this work will be to measure the spatio-temporal nature of CEA secretion from single cells.33 Future work will also focus on integrating LSPRi with two and three dimensional cell cultures of adherent cells. By incorporating multiplexed arrays capable of detecting a number of secreted proteins in parallel, this technique has the potential to open a new window into cell secretions and how they influence neighboring cells.
We thank George Anderson for helpful comments and discussions. This work was supported by the Naval Research Laboratory’s Institute for Nanoscience and the National Research Council Research Associateship Award.
The authors have nothing to disclose.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
25 mm diameter glass coverslips | Bioscience Tools | CSHP-No1.5-25 | 170±5 µm is optimal |
Poly-methyl methacrylate | Microchem | PMMA 950 A4 | |
Ethyl lactate methyl metacrylate | Microchem | MMA EL6 | |
Electron beam evaporator | Temescal | FC-2000 | |
Electron beam lithography | Raith | Series 150 | |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 459836 | |
Acetone | Sigma-Aldrich | 320110 | |
CR-7 chromium etchant | Cyantek | CR-7 | |
Scanning electron microscope | Zeiss | Ultra 55 | |
Atomic force microscope | Veeco | Nanoscope III | |
Plasma ashing system | Technics | Series 85 RIE | |
SH-(CH2)8-EG3-OH (SPO) | Prochimia | TH 001-m8.n3-0.2 | |
SH-(CH2)11-EG3-COOH (SPC) | Prochimia | TH 003m11n3-0.1 | |
SH-(CH2)11-EG3-NH2 (SPN) | Prochimia | TH 002-m11.n3-0.2 | |
Surface plasmon resonance system | Biorad | XPR36 | |
Bare gold chip | Biorad | GLC chip | Plasma ashed to remove the monolayer |
1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide | Thermo | 22980 | |
N-hydroxysuccinimide (NHS) | Thermo | 24510 | |
Pentylamine-Biotin | Thermo | 21345 | |
Ethanolamine | Sigma-Aldrich | E9508 | |
Neutraavidin | Thermo | 31000 | |
Phosphate buffered saline | Thermo | 28374 | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich | P2287 | |
Inverted microscope | Zeiss | Axio Observer | Microscope is equipped with 40X oil immersion objective; CO2 and humidity incubation from Pecon GmbH |
CCD camera | Hamamatsu | Orca R2 | Thermoelectrically cooled (16 bit) |
Spectrometer | Ocean Optics | QE65Pro | |
Spectrasuite | Ocean Optics | version1.4 | |
c-myc peptide HyNic Tag | Solulink | SP-E003 | |
monoclonal anti-c-myc antibody | Sigma-Aldrich | M4439 | |
Hybridoma cell line | ATCC | CRL-1729 | |
Antibiotic Antimycotic Solution (100×) | Sigma-Aldrich | A5955 | |
Serum free media RPMI 1640 | Invitrogen | 11835-030 | |
Fetal bovine serum | ATCC | 30-2020 | |
Rhodamine DHPE | Life Technologies | L-1392 |
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