Comunicazione intercellulare è fondamentale per controllare varie attività fisiologiche all'interno e all'esterno della cellula. Questo documento descrive un protocollo per misurare la natura spazio-temporale delle secrezioni unicellulari. Per raggiungere questo obiettivo, è usato un approccio multidisciplinare che integra nanoplasmonic label-free sensing con imaging cellulare dal vivo.
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.
La comunicazione tra cellulare è fondamentale per la regolazione di molte attività fisiologiche sia all'interno che all'esterno della cellula. Una varietà di proteine e vescicole può essere secreto che successivamente innescare processi cellulari complessi come la differenziazione, la guarigione delle ferite, la risposta immunitaria, la migrazione e la proliferazione. 1-5 Anomalie di vie di segnalazione inter-cellulari sono stati implicati in numerosi disturbi tra cui il cancro, l'aterosclerosi , e diabete, solo per citarne alcuni.
La cella ottimale dosaggio secrezione dovrebbe essere capace di spazialmente e temporalmente mappatura della proteina secreta di interesse senza interrompere le vie di segnalazione rilevanti. In questo modo relazioni causali tra i profili di concentrazione e la risposta delle cellule riceventi possono essere dedotti. Purtroppo, molte delle tecniche di fluorescenza a base più comunemente utilizzati non soddisfano questi criteri. Proteine di fusione fluorescenti possono essere usati per codificare l'analita well'ambito cella ma può disturbare la via di secrezione, o se secreto, determina un bagliore diffuso fuori della cellula che è difficile da quantificare. Saggi basati immunosandwich-fluorescenti sono le tecniche più comunemente utilizzati per la rilevazione secrezioni cellulari ma tipicamente richiedono l'isolamento di singole cellule. 6-11 Inoltre, l'introduzione di anticorpi di rilevamento arresta o termina l'esperimento e le dimensioni delle etichette anticorpo tipicamente, 150 kDa per le IgG, è un impedimento alla segnalazione a valle.
A causa di questi blocchi stradali è preferibile che una tecnica libera-label essere utilizzata per le secrezioni di proteine immagine e tra tecnologie senza etichette esistenti, risonanza plasmonica di superficie (SPR) e localizzato risonanza plasmonica di superficie (LSPR) sensori sono ottimi candidati. 12-17 Questi I sensori sono stati ampiamente utilizzati per analita studi di legame di proteine, esosomi e altri biomarcatori. 18-24 Nel caso della LSPR, il nanostr plasmonicheuctures può essere modellata litograficamente su vetrini ed eccitato utilizzando la luce visibile attraverso configurazioni standard a grande campo di microscopia. Grazie alla loro impronta nanoscala, la maggior parte del substrato di vetro è disponibile per tecniche di imaging comuni come campo chiaro e microscopia a fluorescenza rendendo così queste sonde adatte per l'integrazione con la microscopia live-cell. 25-28 Abbiamo dimostrato la misura in tempo reale di secrezioni anticorpi da cellule di ibridoma utilizzando nanostrutture plasmoniche oro funzionalizzato con risoluzioni spaziali e temporali di 225 msec e 10 micron, rispettivamente. La configurazione di base del circuito integrato è illustrato in Figura 1. 28 Il percorso ottico di uscita del microscopio è diviso tra una telecamera CCD utilizzato per immagini e uno spettrometro a fibre otticamente accoppiato per la determinazione quantitativa di occupazione frazionata di un dato array di nanostrutture (figura 2 ).
Il ProtoColo presentato in questo documento descrive il disegno sperimentale per la misura in tempo reale delle secrezioni singola cellula, mentre possono monitorare la risposta delle cellule usando microscopia in campo chiaro standard. L'approccio multidisciplinare comprende la fabbricazione di nanostrutture, funzionalizzazione delle nanostrutture per il legame di analiti alta affinità, ottimizzazione superficie sia per minimizzare legami non specifici e caratterizzare costanti di velocità cinetiche utilizzando una superficie commerciale Plasmon Resonance (SPR) strumento, l'integrazione di linee cellulari sul substrato, e l'analisi di immagini e dati spettrali. Prevediamo questa tecnica come una tecnologia abilitante per la mappatura spazio-temporale delle secrezioni cellulari e le loro relazioni causali con celle riceventi.
1. nanostrutture
2. Chip Pulizia e applicazione di auto-assemblati monostrato
3. funzionalizzazione superficiale e Kinetic Caratterizzazione
Nota: utilizzare il chip funzionalizzati nello strumento SPR commerciale per caratterizzare le costanti di velocità cinetiche tra il ligando e l'analita, così come per studiare la resistenza di SAM non specifico binding. Esiste una vasta gamma di portate e disegni microfluidici che consentono un'efficiente funzionalizzazione superficiale. Dal momento che abbiamo un SPR disponibile in commercio abbiamo standardizzato intorno alle sue portate consigliate. Prendiamo atto che questi flussi sono tipici di tutti gli strumenti SPR e così non è restrittiva. Lo strumento SPR non è una necessità poiché tutto funzionalizzazione può avvenire direttamente sul chip LSPR, ma ha ridotto il nostro carico di lavoro perché è uno strumento multiplato mentre il nostro LSPR configurazione non è microfluidica.
Impostazioni 4. LSPR generali
5. LSPR Imaging di secrezioni anti-c-Myc da 9E10 cellule di ibridoma
Nota: La linea cellulare di ibridoma utilizzato per questo studio esprimono anticorpo anti-c-myc costitutivamente e quindi non richiedono un trigger chimica
In un tipico studio di secrezione delle cellule vive ci sono diverse modalità di raccolta dei dati in atto. La figura 3 mostra una sovrapposizione di un'immagine LSPRi, che mette in evidenza le matrici quadrate, e un illuminato immagine luce trasmessa, che evidenzia la cella in basso a sinistra. I dati sono tipicamente raccolti su un periodo di 3 ore seguita dall'introduzione di una soluzione saturante dell'analita per il calcolo di normalizzazione descritta di seguito. Imagery fluorescenza può anche essere integrato nella routine di raccolta dati dalla commutazione automatica di un cubo filtro. Nella figura 4 una cella macchiato con la fluorescenza di membrana colorante rodamina DHPE esibisce estensioni lamellipodia-like (frecce). Se tali estensioni dovessero coincidere con le matrici avrebbero dato un falso positivo per la secrezione della proteina. Avere diverse modalità di immagini può aiutare a identificare tali eventi.
Figura 5 mostra i dati di spettrometria di prima e di poppaer l'introduzione di una soluzione saturante (400 nM) di acquistabile anticorpi anti-c-Myc alle matrici funzionalizzate c-myc. Non erano presenti cellule in questo esperimento. Lo spettro mostra sia uno spostamento rosso e un aumento di intensità. La differenza tra le aree sotto le due curve si traduce in un aumento dell'intensità dell'immagine array in modalità LSPRi sulla fotocamera CCD. Un approccio meno analisi dei dati quadrati non lineare è stato sviluppato per inferire occupazione frazionaria di superficie vincolata ligandi dagli spettri. 30,31
Alla fine dell'esperimento, i valori di intensità saturi (cioè, frazionale occupazione ≈ 1) sono utilizzati per calcolare una risposta normalizzata per ogni matrice utilizzando la seguente formula:
Dove sono l'intensità normalizzata al punto di tempo t, intensità iniziale all'inizio dell'esperimento, finale intensità saturato, e l'intensità misurata della matrice al punto di tempo t , rispettivamente.
Valori normalizzati da due array sono mostrati in figura 6. Una matrice era a 10 micron della cella in esame, mentre l'altro, utilizzato come controllo, era una distanza di 130 micron dalla cella. L'improvviso aumento nella risposta normalizzata della matrice più vicina alla cella relativa alla risposta piatta della matrice di controllo è indicativa di una raffica localizzata di anticorpi secreti.
Figura 1. Sensore design. Un disegno raffigurante la geometria di un tipico esperimento secrezione di cellule vive. La cella (sferoide blu) viene depositato sulla al chip LSPR che contiene array di nanostrutture oro biofunctionalized. Nella vista ingrandita-in, la secrezione delle cellule di interesse, in questo caso gli anticorpi indicati come molecole a forma di Y, viene misurata in quanto si legano alla superficiedelle nanostrutture funzionalizzate. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. configurazione dell'ottica. La luce illuminato da una lampada alogena viene prima filtrato da un filtro passaggio lungo (LP). La luce viene polarizzata linearmente (P1) e illumina il campione con un obiettivo 40X / 1.4 NA. La luce diffusa viene raccolta dall'obiettivo e passato attraverso un polarizzatore incrociato (P2). Un divisore di fascio 50/50 (BS) è inserito nel percorso ottico raccolti per spettroscopica simultanea e analisi delle immagini. In alto a destra:. Un'immagine microscopia a forza atomica di 9 nanostrutture individuali separati da un passo di 300 nm Clicca quiper visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Live Cell LSPRi Studio. Una luce trasmessa e immagine LSPRi mostra una cella ibridomi singolo (in basso a sinistra), circondato da 12 matrici fusa. Questa è un'immagine contrasto migliori. Barra della scala è di 10 micron. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Live Cell Fluorescence Studio. Un fluorescente immagine a falsi colori di una singola cella ibridoma colorati con rodamina DHPE, che è un colorante membrana. In modalità di imaging fluorescente gli array non sono generalmente visibili, tuttavia, una matrice vicina è osservabile qui come abmanca quadrato nell'angolo in basso a destra. La cella può essere visto per essere separato dalla matrice sebbene estensioni tentacolari (possibilmente filopodi o lamellipodi) vengono estende verso l'esterno dalle cellule (frecce). Barra della scala è di 10 micron. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5. spettrale Modalità. Gli spettri ottenuti da un array funzionalizzato c-myc, prima e dopo l'introduzione della soluzione di 400 nM di anticorpi anti-c-Myc. Nessuna cellula erano presenti in questo studio. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 6. secrezione Single Cell. La risposta di un array si trova a meno di 15 micron di una singola cellula e quello che si trova 130 micron di distanza (di controllo). Barra della scala è di 10 micron. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa 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 |
25mm 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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