A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
Cell migration is an important part of human development and life. In order to understand the mechanisms that can alter cell migration, we present a planar gradient diffusion system to investigate chemotaxis in a 3D collagen matrix, which allows one to overcome modern diffusion chamber limitations of existing assays.
The importance of cell migration can be seen through the development of human life. When cells migrate, they generate forces and transfer these forces to their surrounding area, leading to cell movement and migration. In order to understand the mechanisms that can alter and/or affect cell migration, one can study these forces. In theory, understanding the fundamental mechanisms and forces underlying cell migration holds the promise of effective approaches for treating diseases and promoting cellular transplantation. Unfortunately, modern chemotaxis chambers that have been developed are usually restricted to two dimensions (2D) and have complex diffusion gradients that make the experiment difficult to interpret. To this end, we have developed, and describe in this paper, a direct-viewing chamber for chemotaxis studies, which allows one to overcome modern chemotaxis chamber obstacles able to measure cell forces and specific concentration within the chamber in a 3D environment to study cell 3D migration. More compelling, this approach allows one to successfully model diffusion through 3D collagen matrices and calculate the coefficient of diffusion of a chemoattractant through multiple different concentrations of collagen, while keeping the system simple and user friendly for traction force microscopy (TFM) and digital volume correlation (DVC) analysis.
התנועה העדיפה תאי כיוון מפל ריכוזים, הידוע בשם chemotaxis, ממלאת תפקיד חשוב בתהליכים פתולוגיים ופיסיולוגיים בגוף. דוגמאות כאלה הן ריפוי עור ורירית פצע 1, המורפוגנזה 2, דלקת 3, ו4,5 צמיחת גידול. כמו כן, הוכיח כי תאים סרטניים יכולים לנדוד דרך שתי אסטרטגיות תא-ההגירה האישיות וקולקטיביות 6. יתר על כן, מנגנוני חוסר יציבות diffusional יכולים לגרום להפרדה של תאים בודדים או התקבצו מגוף / אובייקט tumorous ואז יכול לעלות לכיוון מקור של חומרים מזינים ובכך לפלוש אזורים ורקמות 7 רחבים יותר.
יתר על כן, הוכיח כי מנגנוני הגירה מגוונים יכולים להיות פעילים ב2D וב3D, בשל תפקידים שונים של מולקולות הידבקות 8. לכן, מעבר לרלוונטי מבחינה פיזיולוגית במבחני מבחנה לחקור תנועתיות תא בmeasureablדואר ודרך פשוטה הוא בעל משמעות בהבנת תנועת תא תופעות 9. למרבה הצער, הקושי בניתוח נדידת תאים, assay chemotaxis כימות מקיף בדרך כלל דורש שיטה מייגע ארוכה, שנוסדה על המדידה של דגמי תנועתיות תא ותופעות תחבורה נטולי פניות.
גישות ניסיוניות עבר לחקור chemotaxis תא כוללות תא וידן 10 ומתחת assay agarose 11. עם זאת, בתוך מבחני המוקדמים אלה, ניסויי נדידת תאים לא לפקח על התנועה בכבוד לעת. יותר, וחשוב, הדרגתיים ריכוז המשמש לניסויים אינם מוגדר היטב או מובן לחלוטין תוך שמירת האיתות ללא יותר מכמה שעות בלבד. יתר על כן, ניסיונות קאמריים chemotaxis מוקדם מוגבלים נדידת תאים לשני ממדים ולא לאפשר אחד כדי לפקח על קינטיקה של הגירה 12. מסתכל על חדר בוידן, assay נקודות קצהלא יאפשר לחוקר לבחון הגירה מבחינה ויזואלית ולא יכל להבחין ישירות chemotaxis (תנועה כיוונית) מchemokinesis (תנועה אקראית). בנוסף, מספר משתנה-הבדלים בגודל הנקבובית ועובי של קרומי תוצרת קאמריים קשה מאוד לשחזר בקלות והסתירו את התגובה של תאים זרות לכמוקינים 13,14.
עם ההבנה החדשה של מיקרופלואידיקה, תאים חדשים ומיקרו-מכשירים נחקרו ככלי לחקור תנועת תא תחת תנאי זרימת ביניים או Chemotaxis 15,16. תחת מכשירים החדשים אלה, מדדי תא חדשים הוכנסו ונחקרו, כמו ההשפעה של לחץ גזירה על תא 17,18. לרוע המזל, תאי chemotaxis microfluidic עבר ובהווה מוגבלים מחקרים של נדידת תאים למצעים-2D נסיגה חשובה שכן רבים תהליכים ביולוגיים, כוללים פלישת תאים סרטניים וגרורות, וimנדידת תאי mune, כרוכה הגירת 3D.
תאים-בי תצפית ישירה פתרון chemoattractant הוא במגע עם ג'ל 3D המכיל תאים יש גם דיווחו גם 19,20. יש תאים אלה שני תאים, אחד המכיל chemoattractant ואחד המכיל תאים, הם הצטרפו לצד אחד את השני בצורה אופקית 21 או כטבעות קונצנטריות 22. מערכות אלה הצביעו בכיוון הנכון, אבל לא שומרות מערכת chemotaxis לתקופה ארוכה של זמן.
יתר על כן, חוקרים בחנו גם diffusivity דרך קרומי תאי קולגן בדיאליזה, כמו גם דיפוזיה של מולקולות נותב דרך דגימות קולגן נתון ללחץ ההידרוסטטי 23-25. ניסויי דיפוזיה חלק בג'ל קולגן להסתמך על שינויים פיזיים וכימיים של ג'ל באמצעות שדות מגנטיים והתאגדות כימית 26. שיטה פופולרית לדוגמנות diffusivity בcollaרקמות genous מסתמכת על ההדמיה הקרינה של photobleaching נקודה הרציף. שיטה זו חשפה אנאיזוטרופיה במקדמי דיפוזיה של מולקולות גדולות ברקמות collagenous בכיוון. ובכל זאת, photobleaching נעשה שימוש בסחוס במפרק ולא קולגן מטריצות. בעוד דומה, חייבים להתבצע ניסויי דוגמנות צורך בהבנה במיוחד מקדם דיפוזיה של ג'ל קולגן. וחשוב יותר, המערכות לא לנצל שיטה למדידת דור כוח התא.
למרבה הצער, רוב המערכות נראות חסרות מרכיבים מרכזיים אחד או שתיים למערכת אידיאלית: מאפשרים מעקב של תא, הבנת שיפוע דיפוזיה עם גורם chemotactic באמצעות המטריצה, להגדיר פשוט יחסית עם הקלות של שחזור, מזעור תאי תאים אינטראקציות, ואת היכולת למדוד יחידות ממדיות לכימות (כלומר, מהירות, כוח, ריכוז ספציפי). Moghe et al. 27 הציע מערכת שמלאה את רוב הדרישות אלה שבתאים היו בתחילה מפוזרים בג'ל ולא התרכזו בשטח המסנן, אבל היה קשה למדוד כוחות שהתא מייצר.
למטרה זו, אנו מציגים מערכת דיפוזיה השיפוע מישוריים לחקור chemotaxis במטריצת קולגן 3D, המאפשר לאדם להתגבר על מגבלות תא דיפוזיה מודרניות של מבחני קיימים, המבוסס על מיקרוסקופיה זמן לשגות, בשילוב עם טכניקות ניתוח תמונה למדוד תא כוחות בסביבת 3D. פרוטוקול זה מספק דרך פשוטה, עדיין חדשנית של יצירת תא דיפוזיה פשוטה 3D שיכול לשמש כדי לחקור chemotaxis 3D בתאים שונים.
עיצוב עובש 1. 3D וחלקים
עצרת 2. עובש
3. תערובת קולגן ו3D מטריקס
4. הדמיה ודיפוזיהדוגמנות
5. מדידות ניסויי
6. נדידת תאי מעקב ניצול TFM
היכולת של assay זה להעריך את ההגירה של התאים במדויק מסתמכת על הגדרה טובה של המערכת. לכן, זה קריטי עבור לוודא לעצב את תבנית מערכת דיפוזיה מדויקת ודואגים גדולים בהצבת coverslips שני הידרופובי והידרופילי, כפי שמודגם באיור 1. אם המערכת מתוכננת כראוי ובשלב דוגמנות דיפוזי...
השלבים הקריטיים ביותר לניסויי דיפוזיה מוצלחים עם או בלי תאים הם: כראוי הקמת ההרכבה העובש; פיתוח המיומנות הידנית הנחוצה כדי למנוע נזק במהלך החילוץ של coverslips הידרופובי; הבטחה למצוא קו זינוק ליניארי טוב מאוד כדי לחשב את מקדם הדיפוזיה כראוי; לתקן חישובים ניסיוניים של שני ...
The authors declare that they have no competing financial interests.
The authors would like to acknowledge Drs. Jonathan Reichner and Angle Byrd for cell experiment insight. The National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (GRFP) supported this work.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Silicone elastomer kit | Dow Corning Corp | 182 SIL ELAST KIT .5KG | a two-part misture with a 10:1 mix |
Live cell imaging chamber | Live Cell Instrument | CM-B18-1 | CMB for 18 mm round coverslips |
22 mm Glass Coverslip | Fisher Scientific | NC0180281 | Neuvitro Corp. cover slip 22 mm 1.5 |
Machined aluminum metal cube | |||
Hobby utility knife | X-Acto | X3201 | |
3-(aminopropyl) trimethoxysilane | Sigma-Aldrich | 281778-5ML | |
Glutaraldehyde | Polysciences, Inc | 00216A-10 | Glutaraldehyde, EM Grade, 8% |
50 ml tube | Fisher Scientific | 14-432-22 | Standard floor model and tabletop centrifuges |
Glass Petri dish | Fisher Scientific | 08-747A | Reusable Petri Dishes: Complete (60 x 15 mm) |
Forceps | Fisher Scientific | 22-327-379 | Fine Point Forceps |
Cover glasses | Fisher Scientific | 12-518-105A | Rectangle; 30 x 22 mm; Thickness No. 1 |
Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl | Gelest | SIT8174.0 | |
Acetic acid | Sigma-Aldrich | 320099 | Acetic acid ACS reagent, ≥99.7% |
Hexane | Sigma-Aldrich | 296090 | anhydrous, 95% |
Ethyl alcohol | Sigma-Aldrich | E7023 | 200 proof, for molecular biology |
High-precision diamond scribing tool | Lunzer | PV-081-3 | Straight extended tip scribe, .020" (.50 mm) diameter by .200" (5.0 mm) tip length |
Vacuum grease | Dow Corning | 14-635-5C | High-Vacuum Grease |
15 ml tube | Fisher Scientific | 14-959-49D | 15 ml conical centrifuge tubes with hydrophobic, biologically inert surface |
10x phosphate buffered solution | Fisher Scientific | BP399-500 | 1.37 M Sodium Chloride, 0.027 M Potassium Chloride, and 0.119 M Phosphate Buffer |
1 N sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 38215 | Sodium hydroxide concentrate |
Collagen I, rat tail | BD Biosciences | 354236 | Rat tail |
Micro centrifuge tube | Fisher Scientific | 02-681-332 | Volume: 2.0 ml; O.D. x L: 13 x 40 mm; sterile; single-wrapped |
[header] | |||
Carboxylate-modified microspheres | Invitrogen | F-8813 | Carboxylate-modified microspheres, 0.5 µm, yellow-green fluorescent (505/515), 2% solids |
Rhodamine | Sigma-Aldrich | 83689 | Rhodamine B for fluorescence |
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