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La exploración del comportamiento celular bajo estrés mecánico es fundamental para los avances en mecánica celular y mecanobiología. Presentamos la técnica de aspiración con micropipeta de fluorescencia (fMPA), un método novedoso que combina la estimulación mecánica controlada con un análisis exhaustivo de la señalización intracelular en células individuales. Esta técnica investiga nuevos estudios en profundidad de la mecanobiología de células vivas.
Los ensayos de aspiración con micropipetas han sido durante mucho tiempo una piedra angular para la investigación de la mecánica de las células vivas, ya que ofrecen información sobre las respuestas celulares al estrés mecánico. En este artículo se detalla una adaptación innovadora del ensayo de aspiración de micropipetas acopladas a fluorescencia (fMPA). El ensayo fMPA introduce la capacidad de administrar fuerzas mecánicas precisas mientras se monitorean simultáneamente los procesos de mecanotransducción de células vivas mediados por canales iónicos. La sofisticada configuración incorpora una micropipeta de vidrio de borosilicato diseñada con precisión conectada a un depósito de agua finamente regulado y un sistema de aspiración neumática, lo que facilita la aplicación de presión controlada con incrementos tan refinados como ± 1 mmHg. Una mejora significativa es la integración de imágenes de epifluorescencia, que permite la observación y cuantificación simultáneas de los cambios morfológicos celulares y los flujos de calcio intracelular durante la aspiración. El ensayo fMPA, a través de su combinación sinérgica de imágenes de epifluorescencia con aspiración de micropipetas, establece un nuevo estándar para el estudio de la mecanodetección celular en entornos mecánicamente desafiantes. Este enfoque multifacético es adaptable a varias configuraciones experimentales, proporcionando información crítica sobre los mecanismos de mecanodetección de una sola célula.
Los descubrimientos en desarrollo en el mundo de los comportamientos celulares han acentuado el papel de los estímulos mecánicos, como la tensión, el esfuerzo cortante del fluido, la compresión y la rigidez del sustrato, en el dictado de actividades celulares dinámicas como la adhesión, la migración y la diferenciación. Estos aspectos mecanobiológicos son de suma importancia para dilucidar cómo las células interactúan y responden a sus entornos fisiológicos, impactando en diversos procesos biológicos 1,2.
Durante la última década, los ensayos de aspiración basados en micropipetas se han destacado como una herramienta versátil en el estudio de diversas respuestas celulares a estímulos mecánicos. Esta técnica ofrece información valiosa sobre las propiedades mecánicas intrínsecas de las células vivas a nivel de una sola célula, incluido el módulo elástico celular, la rigidez y la tensión cortical. Estos ensayos permiten la medición de diversos parámetros mecánicos, como la tensión de la membrana celular, la presión ejercida sobre la membrana celular y la tensión cortical (resumida en la Tabla 1). El estudio de las fuerzas aspiracionales ha enriquecido nuestra comprensión de cómo influyen en las funciones y procesos celulares, particularmente en el ámbito de la dinámica de la membrana, incluida la fragmentación, la elongación y la gemación 3,4.
Parámetro mecánico | Descripción | Enfoques seminales |
Rigidez celular | Medición de la rigidez mecánica y elasticidad de una célula. | Aspiración de la membrana celular y análisis de la respuesta de deformación a la presión negativa20,21. |
Fuerza de adhesión | Evaluación de la fuerza con la que las células se adhieren a las superficies. | Aplicación de succión controlada para separar las células adheridas de un sustrato2,22. |
Tensión de la membrana | Evaluación de la tensión o tensión dentro de las membranas celulares. | Medición de la deformación de la membrana en respuesta a la presión aplicada23,24. |
Propiedades viscoelásticas | Caracterización del comportamiento viscoso y elástico combinado de una célula. | Análisis de la respuesta de deformación dependiente del tiempo a la aspiración23,25. |
Deformabilidad | Determinación de la facilidad con la que una célula puede cambiar de forma. | Evaluación del grado de deformación bajo aspiración controlada20,24. |
Tensión superficial | Medición de la tensión en la superficie de la célula. | Evaluación de la presión necesaria para formar una protuberancia de membrana de micropipeta26. |
Interacción célula-material | Estudio de las interacciones entre células y materiales o sustratos. | Aspiración de células en contacto con diferentes materiales y observación de interacciones2,24. |
Interacción célula-célula | Examen de las interacciones entre células vecinas. | Aspiración de un grupo de células y análisis de sus fuerzas intercelulares27. |
Tabla 1: Parámetros mecánicos caracterizados por el ensayo de aspiración con micropipeta.
La técnica de aspiración basada en micropipetas se ha utilizado ampliamente para estudiar los glóbulos rojos (RBC), evaluando la deformabilidad y diversas características mecánicas de los RBC, lo cual es esencial para comprender su función en el sistema circulatorio. Los glóbulos rojos exhiben una notable adaptabilidad, preservando su versatilidad mecánica contra la deformación cuando navegan a través de la intrincada red capilar y las hendiduras interendoteliales 5,6. Durante este viaje, los glóbulos rojos deben atravesar pasajes tan estrechos como 0,5-1,0 μm, sometiéndose a una multitud de fuerzas mecánicas, incluida la tensión y la compresión 7,8,9. También tienen una alta sensibilidad al esfuerzo cortante generado por el flujo sanguíneo durante la circulación10. Estos procesos promueven la activación de mecanismos reguladores que involucran la entrada de calcio, un evento de señalización crucial con roles bien establecidos en las respuestas celulares a los estímulos mecánicos11,12. Los complejos mecanismos que gobiernan la mecanodetección mediada por calcio siguen siendo temas de investigación en curso.
En este contexto, el fMPA se presenta como un enfoque eficaz para revelar el alcance de la movilización de calcio bajo fuerzas mecánicas controladas con precisión, lo que permite la aplicación simultánea de la modulación mecánica (utilizando el sistema de aspiración de micropipetas) y la visualización de la intensidad del calcio (utilizando indicadores fluorescentes). Imita particularmente el escenario fisiológico cuando los glóbulos rojos viajan a través del estrechamiento de los vasos sanguíneos. Vale la pena señalar que el sistema fMPA que desarrollamos puede generar presión con una resolución de 1 mmHg. La cámara de alta velocidad implementada puede alcanzar una resolución temporal de 100 ms y una resolución espacial a nivel submicrónico. Estas configuraciones aseguran la aplicación precisa de fuerzas mecánicas a las células vivas y, al mismo tiempo, capturan la señalización celular resultante. Además, debido a la naturaleza de ingeniería integradora de esta configuración, el ensayo de aspiración de micropipetas se puede adaptar fácilmente para complementar otros equipos o técnicas, lo que permite una mayor exploración de las complejidades de la mecánica celular. Esta versatilidad se erige como una ventaja adicional de este enfoque.
Este protocolo sigue las directrices y ha sido aprobado por el Comité de Ética de Investigación en Seres Humanos de la Universidad de Sydney. Se obtuvo el consentimiento informado de los donantes para este estudio.
1. Aislamiento de glóbulos rojos humanos
NOTA: El paso 1.1 debe ser realizado por un flebotomista capacitado utilizando un protocolo que haya sido aprobado por la Junta de Revisión Institucional.
2. Carga del indicador de calcio
3. Fabricación de micropipetas
4. Preparación de la cámara celular
Figura 1: Ilustración de la cámara celular. Dos piezas cortadas de un cubreobjetos de vidrio de 40 mm x 22 mm x 0,17 mm se adhieren al soporte de la cámara con grasa. Entre los dos cubreobjetos de vidrio cortado, se siembran aproximadamente 200 μL de la solución celular en Tyrode's Buffer. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
5. Conjunto de aspiración de micropipetas
6. Realice el ensayo de aspiración de micropipetas acopladas a fluorescencia
7. Análisis de intensidad de fluorescencia
Figura 2: Conjunto de aspiración de micropipetas acopladas a fluorescencia. (A) Una descripción general del sistema de hardware fMPA que incorpora el microscopio invertido combinado con las cámaras de campo claro y fluorescencia. El lado izquierdo de la imagen muestra el manómetro de agua casero y la caja de control que permite ajustar con precisión la presión de la bomba de presión neumática. (B) La etapa del microscopio que representa la cámara de la célula del experimento y el sistema de micromanipulación con una sola micropipeta. (C) Esquema de la configuración del sistema fMPA. Imágenes simultáneas de señales de campo claro (amarillo) y fluorescencia (emisión azul, excitación verde) utilizando dos espejos dicroicos para dirigir las trayectorias de luz desde la fuente de luz de fluorescencia (azul) hasta el objetivo, y luego a las cámaras para obtener imágenes (verde). (D) La fila superior muestra las imágenes de campo claro, mientras que la fila inferior muestra las imágenes de fluorescencia. La izquierda representa la posición de la micropipeta antes de la aspiración cuando el RBC está en reposo. La columna central muestra una instantánea del proceso de aspiración en el que el eritromatíes experimenta una presión negativa de -40 mmHg. A la derecha se muestra la morfología celular después de experimentar la presión de aspiración negativa. Barra de escala = 5 μm. Abreviaturas: fMPA = Aspiración de micropipetas acopladas a fluorescencia; DM = espejo dicroico; RBC = glóbulos rojos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Para establecer los ensayos de aspiración de micropipetas, primero construimos una cámara celular personalizada que comprendía dos cuadrados de metal (cobre/aluminio) conectados por un mango. Se colocaron dos cubreobjetos de vidrio de tercer corte (40 mm × 7 mm × 0,17 mm) para crear una cámara llena de 200 μL de glóbulos rojos suspendidos en el tampón de Tyrode. Después de introducir los glóbulos rojos en la cámara, se fijó una micropipeta de borosilicato a medida en un soporte y se colocó cuidadosamente de...
Los ensayos de aspiración con micropipetas incorporan una metodología refinada, que despliega una modulación de presión sustancial, una orquestación espacial exacta y un discernimiento temporal fiable para sondear las profundas complejidades de la biomecánica celular. Este estudio pone especial énfasis en la aplicación de fMPA como una herramienta crucial para revelar las respuestas mecanosensibles matizadas que muestran los glóbulos rojos bajo diferentes estímulos. El uso simultáneo de señales de campo claro...
Los autores declaran que no tienen intereses contrapuestos que informar con respecto al presente estudio.
Agradecemos a Nurul Aisha Zainal Abidin y Laura Moldovan por el reclutamiento adicional de donantes, la recolección de sangre y el apoyo a la flebotomía. Agradecemos a Tomas Anderson y Arian Nasser por organizar el equipo y los reactivos. Esta investigación fue financiada por el Proyecto de Descubrimiento del Consejo Australiano de Investigación (ARC) (DP200101970-L. A.J.); el Consejo Nacional de Salud e Investigación Médica (NHMRC) de Australia Ideas Grant (APP2003904-L. A.J.); Beca de Equipos del NHMRC-L.A.J.; Programa de Desarrollo de Capacidades Cardiovasculares de Nueva Gales del Sur (Beca para Investigadores de Inicio-Mitad de Carrera-L.A.J.); Beca de Innovación en Investigación NSW CVRN-VCCRI; Oficina de Compromiso Global y de Investigación (Premio de Colaboración de la Asociación Sydney-Glasgow-L.A.J.); L.A.J. es becario de nivel 2 (105863) de la Fundación Nacional del Corazón para futuros líderes y miembro de la Fundación de Investigación Médica Snow (2022SF176).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
µManager | Micro-Manager | Version 2.0.0 | |
1 mL Syringe | Terumo | 210320D | Cooperate with the Microfil |
200 µL Pipette | Eppendorf | 3123000055 | Red clood cell preparation |
22 x 40 mm Cover Slips | Knittel Glass | MS0014 | Cell chamber assembly |
50 mL Syringe | Terumo | 220617E | Connect to the water tower |
Calcium Chloride (CaCl2) | Sigma-Aldrich | C1016 | Tryode's buffer preparation - 12 mM NaHCO3, 10 mM HEPES, 0.137 M NaCl, 2.7 mM KCl, and 5.5 mM D-glucose supplemented with 1 mM CaCl2. Final pH = 7.2 |
Centrifuge 5425 | Eppendorf | 5405000280 | Red clood cell preparation |
Clexane | Sigma-Aldrich | 1235820 | To prevent clotting of the collected blood. 10,000 U/mL |
DAQami | Diligent | ||
Fluorescence light source | CoolLED | pE-300 | Micropipette aspiration hardware system |
Glass capillary | Narishige | G-1 | Micropipette manufacture |
Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | Tryode's buffer preparation - 12 mM NaHCO3, 10 mM HEPES, 0.137 M NaCl, 2.7 mM KCl, and 5.5 mM D-glucose supplemented with 1 mM CaCl2. Final pH = 7.2 |
Hepes | Thermo Fisher | 15630080 | Tryode's buffer preparation - 12 mM NaHCO3, 10 mM HEPES, 0.137 M NaCl, 2.7 mM KCl, and 5.5 mM D-glucose supplemented with 1 mM CaCl2. Final pH = 7.2 |
High speed GigE camera | Manta | G-040B | Micropipette aspiration hardware system |
High speed pressure clamp | Scientific Instrument | HSPC-2-SB | Cooperate with the pressure pump |
High speed pressure clamp head stage | Scientific Instrument | HSPC-2-SB | Cooperate with the pressure pump |
Imaris | Oxford Instruments | ||
Inverted Microscopy | Olympus | Olympus IX83 | Micropipette aspiration hardware system |
Microfil | World Precision Instruments | MF34G-5 | 34 G (67 mm Long) Revome air bubble in the cut micropipette and test the opening of the pipette tip |
Micropipette Puller | Sutter instrument | P1000 | Micropipette manufacture |
Milli Q EQ 7000 Ultrapure Water Purification System | Merck Millipore | ZEQ7000T0C | Carbonate/bicarbonate buffer & Tryode's buffer preparation |
Pipette microforge | Narishige | MF-900 | Micropipette manufacture |
Potassium Chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P9541 | Tryode's buffer preparation - 12 mM NaHCO3, 10 mM HEPES, 0.137 M NaCl, 2.7 mM KCl, and 5.5 mM D-glucose supplemented with 1 mM CaCl2. Final pH = 7.2 |
Pressue Pump | Scientific Instrument | PV-PUMP | Induce controlled pressure during experiment |
Prime 95B Camera | Photometrics | Prime 95B sCMOS | Flourscent imaging |
Rotary wheel remote unit | Sensapex | uM-RM3 | Control panel for micropipette position adjustment |
Scepter 3.0 Handheld Cell Counter | Merck Millipore | PHCC340KIT | Automatic cell counter |
Sodium Bicarbonate (NaHCO3) | Sigma-Aldrich | S5761 | Carbonate/bicarbonate buffer preparation - 2.65 g of NaHCO3 with 2.1 g of Na2CO3 in 250 mL of Mili Q water - Final pH = 8-9. |
Sodium Carbonate (Na2CO3) | Sigma-Aldrich | S2127 | Carbonate/bicarbonate buffer preparation - 2.65 g of NaHCO3 with 2.1 g of Na2CO3 in 250 mL of Mili Q water - Final pH = 8-9. |
Sodium Chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | S7653 | Tryode's buffer preparation - 12 mM NaHCO3, 10 mM HEPES, 0.137 M NaCl, 2.7 mM KCl, and 5.5 mM D-glucose supplemented with 1 mM CaCl2. Final pH = 7.2 |
Sodium Phosphate Monobasic Monohydrate (NaH2PO4 • H2O) | Sigma-Aldrich | S9638 | Tryode's buffer preparation - 12 mM NaHCO3, 10 mM HEPES, 0.137 M NaCl, 2.7 mM KCl, and 5.5 mM D-glucose supplemented with 1 mM CaCl2. Final pH = 7.2 |
Touch screen control unit | Sensapex | uM-TSC | Control panel for micropipette position adjustment |
X dry Objective | Olympus | Olympus 60x/0.70 LUCPlanFL | Micropipette aspiration hardware system |
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