Method Article
נהלים פשוטים ולשעתק מתוארים לביצוע 3 אסיפות קולגן מבני מובחנות מסוג זמין מסחרי נפוץ אני מונומר קולגן. סוג ילידים, מרווח זמן סיבי קולגן או ריווח הארוך המגזרי ניתן לבנות על ידי שינוי התנאי שאת 300 ננומטר ארוך ובלוק 1.4 ננומטר קוטר מונומר בניין חשוף.
סיבי הקולגן קיימים במטריקס מרקמות בעלי חיים כדי לספק פיגומים מבניים וחוזק מכאני. סיבי הקולגן ילידים אלה יש מחזוריות פסים אופיינית ל~ 67 ננומטר ונוצרים בגוף חי באמצעות ההרכבה ההיררכית של I מונומרים קולגן סוג, שהם 300 ננומטר באורך 1.4 ננומטרים בקוטר. במבחנה, על ידי שינוי התנאי של אובניים בניין מונומר חשוף, מבנים ייחודיים הנעים בסולמות באורך של עד 50 מיקרון ניתן לבנות, הכוללים לא רק סיבים מסוג מקומיים, אבל מרווח זמן גם סיבי קולגן וריווח הארוך המגזרי. בזאת, אנו מציגים הליכים להקמת השלושה מבני הקולגן השונים ממונומר קולגן הזמין מסחרי נפוץ. שימוש בפרוטוקולים שאנחנו ואחרים שפורסמו בעבר כדי להפוך את שלושת הסוגים האלה בדרך כלל להוביל לתערובות של מבנים. בפרט, סיבי unbanded היו נפוץ found עת ביצוע קולגן הטבעי, וסיבי ילידים נכחו לעתים קרובות בעת ביצוע קולגן מרווח הארוך סיבי. הנהלים החדשים אלה יש את היתרון של ייצור קולגן הסוג הרצוי יפון כמעט באופן בלעדי. ההיווצרות של המבנים המבוקשים מאומתת על ידי הדמיה באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי.
קולגן הוא קבוצה של חלבונים מבניים שמבנה סליל משולש שנוצר משלוש רשתות פוליפפטיד. מונומרים סליל משולשים אלה נוספות להרכיב באופן היררכי בצורת מבנים הולכים וגדל. יש לפחות 28 סוגי קולגן שונים גנטי שזוהו 1. שילוב, collagens לפצות 30% מהחלבון הכולל למצוא חיות, עם סוג I חשבונאי צורה הבולטת לעד 90% מכלל חלבוני קולגן 2. קולגן אני מקליד נמצא כמבני fibrillous בעור, רצועות, גידים ועצמות. מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) ומיקרוסקופ אלקטרונים (EM) תמונות של סוג I סיבי קולגן ילידים בדרך כלל מראה banding עם תקופה אופיינית ~ 67 ננומטר (המכונה לעתים קרובות D-banding) 3-5.
הקלד אני מונומר קולגן הוא heterotrimer משולש סליל מורכב מα1 2 זהים (I) שרשרות ו1 α2 (אני) שרשרת, כל אחד יותר מאלף חומצות אמינו ארוך. הוא ארוך ודק עם ממדים של 300 ננומטר באורך 1.4 ננומטרים בקוטר. הקלד אני מונומר קולגן ניתן להשיג בקלות על ידי פירוק מבנים גבוהים יותר סדר שנוצרו באופן טבעי 6. אנחנו 7 ורבים 8-10 אחרים הראינו כי אובניים בניין מונומר המסיס אלה לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לשחזר סיבי D-מפוספסים במבחנה (איור 1).
בנוסף לסיבי הקולגן ילידים, שני מבני הקולגן אחרים גבוהים יותר סדר נמצאו כדי ליצור במבחנה באמצעות אותה אבן בניין מונומר. שני המבנים הם מרווח סיבי ארוך (FLS) וריווח ארוך מגזרי (SLS) קולגן (איור 1). FLS קולגן הוא מבנה fibrillous כמו קולגן הטבעי, אך מאופיין במחזוריות banding גדולה יותר קולגן יליד 11. במבחנה, קולגן FLS נוצר, כאשר מונומר קולגן הוא בשילוב עם חומצת גליקופרוטאין α1 12. קולגן FLS נצפה בחי, כמו גם, אם כי לעתים רחוקות 13. קולגן SLS מתואר כcrystallites כי מונומרים מיושרים בקופה כמו בסריג הגבישי 14. קולגן SLS נוצר, כאשר מונומר הקולגן משולב עם אדנוזין טריפוספט (ATP) 15. קולגן SLS טבעי נצפה במדיום התרבות של fibroblasts אך לא בדגימות רקמה שחולצה, ככל הנראה בשל הגודל והמחסור בתכונות הנבדלות טופוגרפיות 16 קטנים.
המטרה של כתב יד זה היא להציג נהלים מפורטים להכנת סיבי הקולגן יליד כFLS גם וקולגן SLS שגם החוקר המנוסה ביותר יכול להתרבות. שימוש בחומרים מתקדמים החל מסחרי זמינים, יש לנו ניסינו לעשות את הפרוטוקולים פשוט ככל האפשר, ועדיין יש להם לעבוד באופן מהימן. אנחנו גם פירוט כיצד להשתמש AFM כדי לאפיין את מבנה קולגן השונהזה שהם עשו. עבודה זו תהיה מועילה לחוקרים שרוצים ללמוד אחד או יותר ממבנים מסדר הגבוהים יותר קולגן אלה ו / או להשתמש בם כמבשרים ביישומים אחרים, אבל כרגע חוסר של המומחיות או פשוט לא רוצה לעבוד עם דגימות רקמה.
הערה: המים המשמשים בכל הפרוטוקולים שיש התנגדות> 18 MΩ.cm.
1. סיבי הקולגן Native
2. לונג קולגן ריווח סיבי
3. לונג קולגן ריווח מגזרי
4. AFM אפיון
אנו ממליצים ראשונית 100 × 2 סריקה 100 מיקרומטר שאמור להראות לפחות כמה מבני הקולגן. משם, בזום כדי לסרוק גדלים של 10 × 10 מיקרומטר 2 ואז 2 × 2 מיקרומטר 2 להתבונן מחזוריות banding של קולגן הטבעי וFLS, או את התכונות העדינות של קולגן SLS. זה גם רעיון טוב לבדוק לפחות בשני אזורים אחרים במדגם קולגן כדי לוודא שהסריקות הראשוניות הן מייצגות.
קולגן Native
תגובת התערובת של מונומר ~ 0.3 מ"ג / מיליליטר קולגן בפוספט 100 מ"מימ וKCl 100 מ"מימ ב-pH 7 השאיר על 37 מעלות צלזיוס למשך שעות 3-4 יניב פתרון המכיל סיבי הקולגן סוג ילידים עם ננומטר banding D-ברורים ~ 67, ללא סיבי unbanded.
תחת מיקרוסקופ אופטי בהגדלת × 200, גושים של כמה סיבים ניתן בדרך כלל לראות במצע יציץ במיוחד כאשר נצפים על ידי ניגוד פער התערבות (DIC) מיקרוסקופי (איור 2). במדגם טיפוסי, 100 × 2 סריקה אקראית 100 מיקרומטר ידי AFM ניתן בדרך כלל לראות לפחות כמה סיבים שמיקרון ארוך 5-50 (איורי 3 א, ג). פרט, סיבי הקולגן מופרדים ניתן לזהות בקלות בשלב זה. עם 512 × 512 פיקסלים סריקת תמונה 2, התקרבות אל גודל 10 × 10 מיקרומטר סריקה 2 מראה שכל סיבי לימוד המאוחד (תרשימי 3d-f ). כדי למדוד במדויק מחזוריות banding, עדיף לזום של 2 × 2 2 גודל סריקת מיקרומטר (תרשימי 3G-i).
Banding מחזוריות ניתן לקבוע על ידי מדידה פשוט וממוצע המרחק האורכי בין כמה פסגות או עמקים. לחלופין, אם התוכנה מאפשרת AFM, אחד פורה ממדי להפוך יחד חתך אורכים יכולים לשמש גם. איור 4 מראה תמונת גובה AFM של יפון וחתך אורכים מקביל.
FLS קולגן
תגובת התערובת של מ"ג / מיליליטר גליקופרוטאין 1 μ1 חומצה ו~ מונומר 1 מ"ג / מיליליטר קולגן במים שנשארו בטמפרטורת חדר למשך 30 דקות תניב פתרון של סיבי הקולגן Fls.
גושים של סיבים, בדומה למה שרואה במקרה של קולגן הטבעי, ניתן לראות בקלות על פני המצע יציץ תחת מיקרוסקופ אופטי ב 200 מ '×agnification. במדגם טיפוסי, אקראית 100 × 2 סריקה 100 מיקרומטר ידי AFM ניתן בדרך כלל לראות לפחות כמה סיבים. בגודל 512 × 512 סריקת פיקסל 2 תמונה, מחזוריות banding ניתן למדוד על ידי התקרבות ל10 × 10 מיקרומטר 2 סריקה (הציור 5a) או לייתר דיוק עם 2 × 2 מיקרומטר 2 סריקה (5 איור). האיור 5c תערוכות אורך חתך של FLS יפון.
SLS קולגן
תערובת התגובה של 2 מ"ג / המ"ל ATP ו ~ 0.5 מ"ג / מ"ל של מונומר קולגן במאגר 100 מ"מימ גליצין-HCl ב-pH 3.3 השאיר בטמפרטורת חדר למשך 2 שעות יניב פתרון של קולגן SLS.
בדרך כלל, crystallites SLS לא יהיה גלוי תחת מיקרוסקופ אופטי. AFM נדרש לאשר את קיומו של crystallites SLS. במדגם טיפוסי, אקראית 100 × 2 סריקה 100 מיקרומטר ידי AFM ניתן בדרך כלל לראות רביםנקודות. ההתקרבות אל 10 × 2 סריקת מיקרומטר 10 יהיה בדרך כלל להראות כמה crystallites SLS (איור 6 א). ו2 × 2 מיקרומטר 2 סריקה (איור 6 ב) מציגה את המבנה העדין של גביש SLS.
איור 1. השלוש הצורות מבניות השונות של סיבי הקולגן שיכול להיוצר במבחנה ממונומר קולגן. AFM תמונות המתארות מונומר קולגן ושלושה מבני קולגן מהסדר הגבוהים יותר כולם באותו הגודל בקנה המידה (2 × 2 מיקרומטר 2).
איור 2. תמונה דיגיטלית ב ~ גדלת 200 × ידי מיקרוסקופיה אופטית דסק סיבי הקולגן ילידים ביציצו (א) לא נגע ו( ב) thresholded וחדד to להדגיש את הסיבים.
איור 3. AFM תמונות של סיבי הקולגן טבעיים ביציצו. תמונות לסירוגין מגע מצב AFM משרעת מוצגות.
איור 4. () 0.5 × 1 תמונה 2 מיקרומטר לסירוגין מגע מצב AFM גובה (בקנה מידה אנכי = 100 ננומטר) וכן (ב)-חתך אורך של קולגן ליפון ילידים.
איור 5. AFM תמונות של סיבי הקולגן בFls יציץ. (א) 10 × 10 2 תמונת מצב מיקרומטר קשר AFM סטייה, (ב) 2 × 2 מיקרומטר 2 תמונת סטיית AFM מצב קשר ו( ג) אורכיםחתך של FLS קולגן ליפון.
איור 6. AFM תמונות של קולגן SLS ביציץ. תמונות לסירוגין מגע מצב AFM משרעת מוצגות.
המטוהרים מונומר קולגן הוא יציב ב-pH וטמפרטורה הנמוכים וההיווצרות של סיבי הקולגן ילידים למעשה כרוכה העלאת pH והטמפרטורה של פתרון מונומר קולגן. הליכים לכינון מחדש של סיבי הקולגן מפוספסים ממונומרים קיימים כבר יותר מ 50 שנים. ההליך שהמעבדה שלנו משמשת במחקרים הראשונים שלנו עם קולגן לפני 15 שנה 7 התבססה על נהלים סכם צ'פמן ועמיתים לעבודה בשנת 1986 10. התנאים להיווצרות קולגן ליפון שבעבודה הקודמת היו 0.18 מ"ג / מיליליטר מונומר קולגן בNa 2 HPO 4 / KH 2 PO 4 (אני = 0.2, pH 7.4) חיץ ב34 ° C. החסרון של זה ונהלים אחרים שניסינו הוא שיש תמיד סיבי unbanded נוצרו לצד הסיבים המפוספסים הרצויים. התנאים החדשים שלנו הם ~ 0.3 מ"ג / מ"ל של מונומר קולגן בפוספט 100 מ"מימ וKCl 100 מ"מימ בשעת 7 pH השאיר על 37 מעלות צלזיוס למשך שעות 3-4. Proceדורה מתוארת כאן שונה בכל היבט מההליך קודם להכנת סיבי הקולגן ילידים. אבל רוב ניכר, הכפלנו את הכח היוני על ידי העלאת ריכוז החיץ והוסיף KCl mM 100. העלייה בתוצאות חוזק יוניות במבנה אחיד יותר של סיבי הקולגן חברו באופן בלעדי.
מניסיוננו, הפעמים היחידות שהליך זה לא מיוצר קולגן סוג היליד הייתה כאשר פתרון מונומר קולגן היה עובר את התאריך המומלץ של יצרן שימוש. כאשר זה קורה, מה שנצפה נע בין סיבים פחות שכולם unbanded לסיבים רבים עדיין נצפו אך ברובה unbanded. שימו לב שמונומר קולגן שפג תוקף יכול לעתים עדיין ניתן להשתמש בהצלחה כדי להפוך את הקולגן טבעי, אבל כאשר הוא נכשל, מונומר קולגן החדש בהחלט צריך לרכוש.
FLS זוהה לראשונה על ידי Highberger et al. 17 בהכנות קולגן יזוכה Orekhovich et al. 18. מחקרים נוספים הובילו Highberger ושמיט למסקנה שזה היה גליקופרוטאין α1 חומצה שמקדם את ההיווצרות של 12 FLS. היינו מאוחר מסוגל לשכפל את ההליך להכנת קולגן FLS על ידי שילוב של מונומר קולגן הזמין מסחרי וגליקופרוטאין α1 חומצה ב-pH הנמוך ולאט הרשה pH לעלות ב dialyzing התערובת נגד מים ל24 11 שעות. כעת אנו מציגים שינוי של הליך זה על ידי dialyzing מונומר קולגן נגד מים הראשונים ופשוט משלב את זה עם גליקופרוטאין α1 חומצה במים ליצירה קולגן FLS. התנאים לFLS קולגן הרכבה המתואר כאן הם הרבה פחות זמן רב. מונומר קולגן עדיין צריך להיות טרום דיאליזה נגד מים, אבל אפשר לעשות את זה בכמויות גדולות ואז מאוחסן ב 4 ° C ביציבות עד שימוש בו. תשואות זה נוהל חדשה ברובה Fls סיבי הקולגן מפוספסים.
מניסיוננו, α1 החומצה Glycoחלבון עם תכולת חלבון ומים משולבות נמוכה יותר, ועל ידי תכולת סוכר גבוהה היקש, הוא קריטי ליצירת סיבי Fls בהצלחה. אנחנו בדרך כלל לבדוק עם היצרן שהרבה גליקופרוטאין α1 החומצה אנו משתמשים יש% תכולת חלבון ומים משולבות של 82 או פחות. וכמו בנוהל לסינתזת הקולגן טבעית, מונומר קולגן שהיא מבוגר מדי יכול גם לגרום לכישלון לייצר קולגן FLS. בנוסף, את הטוהר של המים המשמשים לדיאליזה הוא קריטי בהליך זה. לדוגמה, דיאליזה של מונומר קולגן נגד אף ~ 8 MΩ.cm במקום> תוצאות מים 18 MΩ.cm בפתרון קולגן שלא יוצר קולגן FLS.
מהשלושה סוגי יפון קולגן, הקל ביותר לעשות הוא קולגן SLS. ההכנה המוקדמת SLS תוארה על ידי שמיט ועמיתים לעבודה 15. אנחנו פרסמנו adaption של הליך זה לפני 12 שנים להכנת קולגן SLS באמצעות coll הזמין מסחריAgen 14. ההליך פשוט כרוך בשילוב 2 מ"ג / המ"ל ATP ו 0.5 מ"ג / מ"ל של מונומר קולגן ב0.05% (v / v) חומצה אצטית ב-pH 3.5, ומשאיר את התערובת בטמפרטורת חדר למשך הלילה.
מניסיוננו, ההיבט הקריטי של הרכבת SLS שחייב להיות מבוקרים הוא pH של תמיסת התגובה. SLS התאסף בתנאים יותר בסיסיים (pH ~ 3.6-3.9) תוצאות בגושים מצטברים של crystallites. תנאים יותר חומציים (pH ~ 2.9-3.2) תוצאות בcrystallites הרזה, יותר מאשר אלה מופרדים התאספו בתנאים האידיאליים של pH 3.3-3.5. PHS תגובה מחוץ לטווח זה (<2.8 ו> 4) לא מניב כל קולגן SLS. בעבר, כוונן את ה-pH של תערובת התגובה על ידי התוספת של חומצה אצטית. כדי לפשט את ההליך עוד יותר, בכתב היד הזה שהצגנו חיץ גליצין-HCl לשלוט חומציות.
השלושה המבנים השונים נוצרו קולגן מהפרוטוקולים שתוארו לעיל יש אופיתכונות שהתאימו ניתן להבחין רק באמצעות מכשירים לרזולוציה של ננומטר. קולגן יליד וFLS מתאפיין banding periodicities של ~ 67 ננומטר ו ~ 270 ננומטר. הממד הארוך ביותר של קולגן SLS הוא רק ~ 360 ננומטר. יש לנו מתואר במפורש כיצד אנו משתמשים AFM לאפיין שלושה מבני הקולגן השונים. עם זאת, כל הפעלת AFM במגע או במצב קשר רציף עם כל AFM חללית ש< רדיוס 10 ננומטר צריכה גם להיות מסוגלת לתמונת מבני הקולגן אלה. בנוסף, מיקרוסקופי אלקטרונים יכול להיות ונעשה שימוש כדי לאפיין מבני הקולגן אלה 19.
היתרון העיקרי של הליכים אלה הוא שהם מייצרים בעיקר קולגן הרצוי לבנות. הצורה האחרת של קולגן רק כי הוא נמצא בתגובות האלה היא מונומר מתחיל, אשר לעתים קרובות נראה ברקע של תמונות AFM. במקרה של קולגן הטבעי וFLS, ניתן להפריד בקלות מרוב unreaמונומר cted ידי צנטריפוגה ושטיפה חוזרות והנשנים של ילידים וכתוצאה או FLS קולגן גלולה עם מים.
יש לנו הצגנו נהלים פשוטים ואמינים להכנה, FLS ילידים וקולגן SLS תוך שימוש בחומרים מתקדמים, זמינים מסחרי החל. מונומר הקולגן משמש בכל הליכים אלה זמין מסחריים בצורה מטוהרת. גליקופרוטאין α1 חומצה ו-ATP גם שניהם זמינים באופן מסחרי.
אין ניגודי האינטרסים הכריזו.
ברצוננו להודות לכל תלמידים רבים בעבר לתואר ראשון, לתואר שני ופוסט דוקטורט שתרמו הזמן והמאמץ שלהם ללימוד fibrogenesis קולגן במעבדה שלנו. מדעי הטבע והנדסת מועצת המחקר של קנדה ספקו ברציפות מימון למחקרי קולגן.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
חומר / מגיב | חברה | מספר קטלוגים | תגובות (אופציונלי) |
הקלד אני מונומר קולגן (~ 3 מ"ג / מ"ל ב0.01 N HCl) | Inamed המתקדם Biomatrix | 5409 5005-B | הרבה 1261443 (2.9 מ"ג / מ"ל, pH 2.1) הרבה 1629346 (3.2 מ"ג / מ"ל, 2.1 pH) הרבה 6006 (3.2 מ"ג / מ"ל, 2.1 pH) |
ה-ATP | Biochemicals המחקר הבינלאומי | -141 | הרבה FBJ-1194A |
α1 החומצה גליקופרוטאין מפלזמת שור | סיגמה אולדריץ | G3643 | הרבה 051K7440 (89.8%) הרבה 011K7410 (82%) הרבה 065K7405 (71.2%) הרבה 063K7495 (71.9%) הרבה 117K7535 (75.9%) (+ תכולת מי חלבון) |
glycopr A1 חומצהotein מפלזמה האנושית | סיגמה אולדריץ | G9885 | הרבה 128H7606 (70.9%) הרבה 049K7565V (68%) (+ תכולת מי חלבון) |
תציץ | טד פלה | 53 | |
Pointprobe - הסיליקון SPM-חיישן | Nanoworld | NHC | הסיליקון AFM בדיקה שאנו משתמשים למצב מגע לסירוגין |
טיפי Nanoprobe Veeco | Veeco (עכשיו בדיקות Bruker AFM) | NP-S | חללית AFM סיליקון ניטריד שאנו משתמשים למצב קשר |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved