견인 힘 현미경의 세포 배양 표면 근처 지역화 기자 형광 구슬을위한 새로운 방법

요약

형광 프로브를 함유하는 폴리 아크릴 아미드 (PA) 겔을 제조하기위한 전통적인 기술은 접착 표면 및 유리 슬라이드 사이에 겔을 개재 포함한다. 여기서, 우리는 폴리-D-라이신 (PDL) 및 형광 프로브이 슬라이드 코팅은 겔 표면으로부터 1.6 μM 내로 프로브 지역화 것을 보여준다.

초록

PA 젤 긴 제조 및 조정 자신의 탄성을 할 수있는 기능의 용이성으로 인해 세포 견인 힘을 연구하기위한 플랫폼으로 사용되어왔다. 기판은 세포 외 기질 단백질로 코팅되는 경우, 세포 부착 및 겔 겔 변형 일으키는 힘을 적용한다. 변형은 세포 견인 및 겔의 탄성 특성에 의존한다. 표면 변형 필드가 알려진 경우, 표면 정지 마찰은 탄성 론을 이용하여 계산 될 수있다. 겔 변형은 일반적으로 균일하게 겔화 형광 마커 비드 매립에 의해 측정된다. 젤 변형으로 프로브는 변위. 겔의 표면 근처에 프로브를 추적됩니다. 이러한 프로브에 의해보고 된 변위는 표면 변위로 간주됩니다. 표면에서 그들의 깊이는 무시됩니다. 이 가정은 견인력 평가에 오류를 소개합니다. 비드의 위치가 알려 져야하는 셀의 힘의 정확한 측정을 위해, 중요하다. 우리는 개발표면의 1.6 μm의 내 PA 젤에, 형광 마커 구슬, 직경 0.1 μm의 한을 제한하는 간단한 화학을 활용하는 기술. 우리는 코트 폴리-D-라이신 (PDL)과 형광 구슬 커버 슬립. PA 겔 용액을 커버 슬립과 접착면 사이에 개재된다. 형광 비드가 경화 중에 겔 용액에 옮긴다. 중합 후, PA 겔은 겔 표면에 비행기 주변에 형광 구슬이 포함되어 있습니다.

서문

로컬 환경과 살아있는 세포의 기계적 상호 작용은 일반적으로 PA 젤을 이용하여 연구하고있다. 이러한 기판이 기판의 주요 이점 중 ^하나. 한 1997 Dembo 및 왕에 의해 설립 간단한 잘 특성화 프로토콜에 의존하는 그들의 강성 겔 용액의 특정 구성 요소의 농도를 변경함으로써 조절 될 수 있다는 것이다. 이것은 서로 다른 강성의 환경과 세포의 상호 작용을 연구하는 것이 바람직 플랫폼을 제공합니다. PA 젤은 세포 외 기질 (ECM) 단백질로 코팅하는 경우, 세포가 힘을 생성,이를 준수합니다. 셀 힘의 결과로,이 겔 탄성체로 변형된다. 이 변형은 세포 및 겔의 탄성 특성에 의해 가해지는 힘의 크기에 따라 달라진다. 다양한 연구 셀룰러 견인 세력을 조사하기 위해 PA 젤을 사용했다.

PA 겔 제조의 한 변형에서, 형광 마이크로 스피어 (구슬) t을 포함하는다른 ^{경직성이의} 젤에 세포 견인 힘을 정량화하기 위해 젤을 hroughout. 셀 힘 부여되면, 비즈 겔 변형 전의 초기 위치로부터 변위. 변형 필드는 각각의 비드로부터의 변위를 측정한다. 이 변형 필드는 탄성 이론 및 견인력을 계산하는 겔의 탄성 특성과 함께 이용된다. 이러한 측정은 세포가 기계적으로 감지하고 해당 지역의 미세 ^세와 상호 작용하는 방법에 대한 통찰력을 제공합니다.

많은 널리 사용되는 PA 겔 제조 프로토콜에서 구슬은 액체의 비중 합 상태에서 PA 젤에 걸쳐 혼합된다. 완전히 중합 PA 젤은 볼륨에 걸쳐 형광 구슬이 포함되어 있습니다. 셀 견인력을 계산할 때, 겔 표면 (셀 기판 계면)에 가까운 가장 구슬 모니터링된다. 이러한 비드의 변위는 하중 calculatio의 간략화를 위해 세포 배양 표면에서 발생하는 것으로 가정명. 겔의 깊이 내의 비드의 실제 위치는 무시된다. 그러나, 탄성 매체 (예 PA 겔 등), 힘 적용 점에 가까운 비드 멀리 포인트로부터 비드보다 더 이동한다. 따라서, 셀룰러 트랙션의 과소에 표면에 그 결과로서 표면으로부터 말단 (비드 위치에서) 점의 변위를 치료. 에러의 정도는 표면으로부터의 비드의 거리에 의존한다. 오류가 비드의 위치의 지식없이 추정 될 수 없다.

매우 세포 배양 표면 근처 비드를 한정하는 간단한 방법의 필요성이 몇 가지 기술에 의해 해결되었다. 하나의 방법은 매우 표면 근처 움직임을 측정하는 상부 초점면에 비드 충분한 숫자가되도록 전체에 걸쳐 겔 비드의 밀도를 증가시키는 것이다. 또 다른 기술은 광으로부터 생균 이미징 촛점 촬상 챔버 건물 포함최상위 초점 평면에서만 비드 ^(4)를 수집한다. 다른 방법은 구슬 ^다섯없이 이미 중합 된 겔의 상단에 구슬을 포함하는 PA 젤의 매우 얇은 층을 오버레이 포함한다. 이러한 기술의 각각의 단점은 겔 내의 비드의 정확한 위치를 알 수없는 점이다. 이 비드의 변위 필드, 따라서 세포의 힘의 계산의 계산에 오류를 소개한다. 또 다른 기술은 설포 SANPAH ^6을 이용하여 이미 중합 PA 겔의 상면에 접합 비드를 포함한다. 이 기술은 비드 만 PA 겔 위에 실로 보장하지만, 그들은 겔의 깊이에 매립되어있는 정도를 알 수있다. 이전 작품은 세포가 힘 마이크론 멀리 ^칠을 감지 할 수 있음을 제안했다 이것은 잠재적으로 세포의 동작을 변경할 수있는 세포에 대한 지역의 지형을 만들 수 있습니다. 최근에, 1 μm의 직경 F와 PA 젤을 패터닝하는 기술정규화 배열 luorescent 피브로넥틴 도트 마커 ^팔을 설립되었습니다. 이 경우, 형광 마커의 깊이가 알려져 있으며, 피브로넥틴 패턴 간접적 겔 표면 상에 인쇄 될 때, 본질적으로 제로이다. 그러나,이 방법은 ECM 단백질 1 μm의 직경 도트로 한정되는 바와 같이 세포가 부착 할 수있는 연속적인 환경을 제공하지 않는다. 완전히 매우 표면 근처 알려진 위치 PA 겔 내에 추적기 구슬을 통합하고이를 한정하는 방법이 아직 확립되어야한다.

여기서, 우리는 매우 PA 겔 내의 세포 배양 표면 근처 초점면에 μm의 직경 형광 비드 부 μM을 제한하는 기술을 개발한다. 겔은 전형적으로 두 개의 유리판 사이에 미 중합 액체 겔 용액을 개재하여 경화된다. 겔에 강하게 밀착되도록 플레이트 중 하나가 작용된다. 다른 작용 화하고 겔 경화 후에 제거된다. 우리는이 이동식 유리 스와 수정비즈의 층으로 코팅하여 rface. 기능화 및 비드 코팅 유리 표면 사이의 액체 겔을 끼운 후, 겔 비드 전송은 경화된다. 이것은 표면의 1.6 μM 내의 겔화 구슬 '통합의 거리를 제한한다. 유리 바닥 페트리 접시는 젤이 경화되는 부착면으로 사용된다. 중합시 겔 평면형 표면을 형성하도록, 원형 유리 커버 슬립이 샌드위치에 유리 바닥 페트리 접시와 겔을 사용한다. 겔의 제조에 앞서, 상부 유리 커버 슬립은 양성 표면 전하를 산출, 폴리-D-라이신 (PDL)로 코팅된다. PDL은 압축 공기를 분출하고, 물에 비드 용액 커버 슬립 상에 증착된다. 우리는 음전하를 운반 카르 형광 마이크로 비즈를 이용하고, PDL로 처리하여 생성 된 양으로 대전 된 표면과 상호 작용. 압축 공기의 단일 층 커버 슬립 오프 비드 용액을 불어 후에구슬은 정전 건조 커버 슬립에 연결 상태를 유지합니다. 유리 슬라이드가 완전히 손상되지 않은 그대로 PA 겔로부터 제거됨에 따라 PDL 코팅은 겔 표면에 유리의 접착에 영향을 미치지 않는다.

유리 바닥 페트리 접시는 97 % 3 - 아미노 프로필 - trimethoxysliane 및 0.5 % 글 루타 알데하이드 (glutaraldehyde)로 처리하여 부착 만들어집니다. 원하는 경직성의 PA 젤은 표준 절차 ^구를 통해 비스 아크릴 아미드와 아크릴 아미드의 적절한 농도를 혼합하여 만들어집니다. 겔 용액의 액체 방울은 유리 바닥 배양 접시 상에 피펫 팅한다. 비드를 함유 유리 커버 슬립이 샌드위치에 페트리 접시와 겔을 사용한다. 겔이 경화 될 때, 상단 커버 슬립은 표면으로부터 1.6 μM 내에 PA 겔에 포함 된 비드를 남겨 제거된다.

프로토콜

제조 및 세포 배양 표면 근처에 포함 된 형광 미소와 강성을 변화의 PA 젤 관능.

1 상단 커버 유리 전표를 기능화

1. 청소 유리 커버 슬립 (# 1.0, 12mm의 DIAM.) 비누와 물, 에탄올 다음은 외부의 먼지를 제거합니다.
2. 도시 유리 커버들은 커버 슬립의 용이성과의 상호 작용을 용이하게 닿지 않도록되도록 강판의 표면 (즉, 피펫 팁 홀더)에 실수.
3. 코트 커버의 표면 전체가 폴리-D-라이신 1 시간 (도 1a)에 대한 (0.1 ㎎ / ㎖)와 함께 미끄러.
4. 이 시간 동안, 일 수행 0.1 μm의 직경의 콜로이드 용액 만 희석 탈 (DI) 물에 적색 형광 마이크로 스피어는 겔 표면에 20 μm의 ² 당 약 1 마이크로 스피어의 입자 밀도를 얻었다. 다양한 희석의 결과는 그림 2를 참조하십시오. 이 dilutioN은 특정 실험의 필요성을 충족시키기 위해 변경 될 수있다.
5. 30 분 동안 초음파 물을 욕조에 희석 된 용액을 놓습니다.
6. 1 시간 후, 신중하게 각 커버 슬립을 들어 올려 공기와 바람을 불어 건조 핀셋을 사용합니다. 강판 표면에 건조 커버 전표를 돌려줍니다.
7. 각 커버 슬립 위에 초음파 목욕 및 피펫 150 μL의 희석 된 콜로이드 용액을 제거합니다. 10 분 (그림 1B)에 두십시오.
8. 주의 깊게 각 커버 슬립을 들어 올려 공기와 바람을 불어 건조 핀셋을 사용합니다. 사용할 준비가 될 때까지 건조 커버가 어둠 속에서 강판 표면과 가게에 미끄러 져 돌아갑니다.

직접 바닥이​​ 유리 페트리 접시에 PA 젤을 준비 2

1. 100 ° C로 예열 열판.
2. 유리 바닥 배양 접시의 원하는 수의 레이아웃 (14mm와 35mm 요리를 마이크로 웰, # 1.0) 화학 흄 후드의 평평한면에.
3. 97 % 3 - 아미노 프로필 trimethoxys 각 페트리 접시 마이크로 웰의 유리 부분을 덮리안 화학 활성화를위한 7 분 (3-APTES). 폴리스티렌의 열화를 방지하는 페트리 접시에서 플라스틱의 표면에 3-APTES 부주의 떨어지는 않도록주의하여주십시오.
4. 7 분 후, DI 워터와 페트리 접시를 작성하고 폐기물 용기에 폐기하십시오.
5. 를 반복 한 다음 각 요리에 대한 단계 2.4 배, 그리고 여분의 물을 제거하기 위해 페트리 접시를 흔들. 유리 부분은 물기가 없어 질 때까지 뜨거운 접시에 배양 접시를 놓습니다.
6. 핫 플레이트에서 배양 접시를 제거하고 화학 흄 후드에서 평평한 표면으로 돌아갑니다.
7. 화학 퓸 후드에서, 0.5 % 글루 타르 알데히드 용액을 잘 30 분 동안 용액으로 각각 페트리 접시의 유리 부분을 커버. 플라스틱의 열화를 방지하는 페트리 접시에서 플라스틱의 표면에 글루 타르 알데히드의 부주의 떨어지는 않도록주의하여주십시오.
8. 30 분 후, DI 워터와 페트리 접시를 채우고 씻어 폐기물 용기에 폐기하고 glutarald를 제거ehyde.
9. 를 반복 한 다음 각 요리에 대한 단계 2.4 배, 그리고 여분의 물을 제거하기 위해 페트리 접시를 흔들. 유리 부분은 물기가 없어 질 때까지 뜨거운 접시에 배양 접시를 놓습니다.
10. PA 겔 용액의 성분을 혼합하기 전에, 유리 바닥 겔의 짧은 협 허용들은 쉽게 접근 할 수 있도록 화학적 흄 후드로 기능화 된 유리 슬라이드를 이동 겔 용액을 혼합 한 후 배양 접시가.
11. 15 ㎖의 원심 관에, 표 1에 기재된 농도로 직접 연속적으로 40 % 비스 아크릴 아미드, 2 % 아크릴 아미드, 및 아크릴산을 혼합 행렬 원하는 탄성을 달성하기 위해 (출판 ^{(10)로부터} 적응 프로토콜).
12. 겔 용액을 완료하기 위해 필요한 매트릭스 탄성에 대응하는 표 1에 열거 개당 100 mM의 HEPES, 10 %의과 황산 암모늄,과 TEMED를 추가한다.
13. 즉시 유리 부의 중심에 겔 용액 15 μL 피펫배양 접시의.
14. 즉시 핀셋 기능화 된 유리 커버 슬립을 선택합니다.
    1. 형광 구슬이 젤 솔루션 측면 만드는 접촉이되도록 위에 유리 커버 슬립 플립.
    2. 부드럽게 기능화 측 겔 (도 1C)와 접촉되도록 해주기 액체 PA 겔의 상단에 커버 슬립을 놓는다. 주 : 최상의 결과를 위해, 두 번째 사람은 다수의 배양 접시에 액체 PA 겔 용액을 피펫 팅하면서 부분적인 중합을 방지하기 위해 커버 슬립을 추가의 역할을 위해 권장된다.
15. PA 젤 낮은 수준으로 중합 형광 나노 입자에 중력 효과를 방지 지원하기 위해 모든 페트리 접시를 뒤집습니다.
16. PA 젤의 원액이 눈에 띄게 그 원심 분리 관에서 중합했다 적어도 35 분 동안, 또는 때까지 기다립니다.
17. 다시 이상 배양 접시를 뒤집어 커버 슬립을 제거 지원하기 위해 PBS로 채운다.
18. 조심스럽게 커버 슬립의 둘레를 긁어 핀셋을 사용하여, 배양 접시의 유리 부와 커버 슬립의 개요와 접촉. 커버 슬립이 빠질 때까지 여러주기를 수행합니다. 커버 슬립을 제거하고 적절한 날카로운 물건 폐기 용기에 폐기하십시오.
19. 모든 커버 전표를 제거한 후, 형광 구슬은 겔 (그림 1D)에 전송 한 것입니다. 완전히 PBS와 PA 젤 커버 각 접시에 페트리 접시의 뚜껑을 배치하고 4 ° C에서 보관.

3 피브로넥틴과 PA 젤 기능화

1. 설립 프로토콜 ^11에 설명 된대로 다음과 같은 예 혼합 솔루션을 준비 : 솔루션을 적시 (137 mM의 NaCl을, 5 % (v / v)로 글리세롤) 및 2 배 접합 버퍼 (0.2 M 2 (N의 -morpholino) 에탄 술폰산 (MES), 10 % (v / v)로 글리세롤, 산도 4.5).
2. PA 겔을 함유하는 유리 - 바닥 접시에서 모든 PBS를 제거하는 생물학적 후드에서 진공 펌프를 사용한다.
3. 피펫테 겔이 완전히 침수 될 수 있도록 각 젤에 솔루션을 흡수. 적어도 1 시간 동안 실온에서 배양한다.
4. 온난 한 에틸 3 - [3 - 디메틸 아미노 프로필] 카르 보디이 미드 히드로 클로라이드 (EDC) 및 실온의 N -hydroxysulfosuccinimide (NHS).
5. EDC의 10 배 용액 (150 mM의 DI 물에, 19 ㎎ / ㎖) 및 NHS (250 mM의 DI 물에, 29 ㎎ / ㎖)를 혼합한다.
6. 1 부를보기 배 EDC, NHS 1 부를 10 배, 3 부 DI 물, 및 5 중량 배 공액 버퍼를 섞는다.
7. 흡수 용액을 제거하는 생물학적 후드에서 진공 펌프를 사용합니다. 모든 유체가 겔 표면으로부터 제거되어 있는지 확인합니다.
8. 겔 표면을 커버하고 페트리 접시 (150 ~ 250 μL)의 유리 바닥을 잘 채울 수있는 충분한 NHS / EDC 솔루션을 추가합니다. 어둠 속에서 30 분 동안 실온에서 배양한다.
9. 실온에서 해동 피브로넥틴. 일단 해동, 50 μg / ml의 피브로넥틴 솔루션을 만들기 위해 멸균 DI 물을 섞는다.
10. NHS / EDC의 솔루을 제거하는 생물학적 후드에서 진공 펌프를 사용하여기. 모든 유체가 겔 표면으로부터 제거되어 있는지 확인합니다.
11. 각 겔에 피브로넥틴 용액 150 μl를 추가합니다. 피브로넥틴의 부착을 허용하기 위해 35 분 동안 실온에서 배양한다.
12. 35 분 후 최대 2 주 동안 4 ° C에서 각 페트리 접시 및 저장에 PBS를 추가합니다.

4 트랙션 포스 실험

1. 물을 욕조에 따뜻한 세포 미디어, PBS, 37 ° C에 트립신.
2. 젤 린스 사이에 PBS를 흡입, 멸균 PBS로 5 배, 그리고 후드에 덮여있는 상태로 둡니다 씻어.
3. 플라스크를 포함하는 셀에 1 ㎖의 ^트립신이 25cm 당을 추가합니다. 세포가 플라스크에서 해제 된 후, 세포 미디어 트립신을 희석 세포를 계산합니다. 겔 표면 영역에 기초하여, / cm ² 3,000 세포의 최종 세포 밀도 시드 젤 당 필요한 세포의 수를 결정한다. 희석 또는 셀 미디어 혼합물의 150 μL 세포의 숫자를 포함하도록 서스펜션을 집중한다. 세포 suspens의 나누어지는 150 μL각 젤에 이온.
4. 30 분 동안 인큐베이터에서 세포를 포함하는 페트리 접시를 놓습니다. 이어서, 신중 배양 접시를 제거하고 접시의 표면이 완전히 잠기도록 용지 (약 2 mL)로 페트리 접시의 나머지 부분을 채운다.
5. 이미지 수집 될 때까지 배양기에서 배양 접시를 다시 배치합니다.
6. , 미분 간섭 대비 (DIC) 프리즘을 삽입, 40 배 침수 목적을 삽입 mCherry 또는 이에 상응하는 형광 필터를 선택하고 환경 챔버를 켜 : 이미징 현미경 및 데이터 수집 시스템을 준비합니다.
7. 영상을 준비 할 때, 인큐베이터에서 한 페트리 접시를 제거하고 현미경 무대에 조심스럽게 놓습니다. DIC 이미징 페트리 접시의 뚜껑을 제거합니다.
8. 하나의 셀을 찾아 DIC의 셀의 하나의 정지 영상을 캡처합니다.
9. 현미경 스테이지를 이동하지 않고 형광하는 촬상 모드를 전환. 형광 마이크로 및 녹화에 초점미소 구체의 화상 함수 ord.
10. 조심스럽게 피펫으로 배양 접시에서 세포 미디어를 제거하고 0.05 % 트립신-EDTA를 추가합니다.
11. 이미지 셀 후 셀 아래 미소 구는 분리했다.
12. ImageJ에 ^12에서 사용 입자 영상 유속계 (PIV) 분석에 의한 세포 힘 변위 필드를 계산합니다.

결과

공 초점 이미징은 비즈 겔 표면 아래에 실제로 있다고 결정하고 젤 깊이 내 자신의 정확한 위치를 정량화하기 위해 사용되었다. 겔 내부 것과 다른 파장의 형광 비드 표면에 정착하도록 허용하고, 임베디드 형광 나노 입자 및 그 표면 사이의 거리가 중심 식별 알고리즘을 이용하여 계산 하였다. 겔 표면 상에 비드의 위치는 겔 세포가 표면에 부착시에 힘을인가의 상면에 대한 기준으로서 역할을한...

토론

이 방법을 사용할 때, 비드 용액 적절히 희석 및 비즈 원하는 직경에 기초하여 선택되는 것이 필수적이며, PA 겔 기판 강성이고 원하는 실험 탐구되는 현상의 크기 스케일.

상단 유리 커버 슬립을 기능화하기 전에 비드 솔루션을 희석 할 때주의를 기울여야한다. 겔 표면에 구슬 사이의 간격은 콜로이드 용액의 희석 배수를 변화시킴으로써 변경 될 수있다. 너무 용액을 희석하?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagents
97% 3-Aminopropyl-trimethoxysliane (APTES)	Sigma-Aldrich	281778
70% Glutaraldehyde	Polysciences, Inc.	111-30-8
1 M HEPES buffer solution	Sigma-Aldrich	83264
40% Acrylamide	Sigma-Aldrich	A4058
2% Bisacrylamide	Sigma-Aldrich	M1533
0.1 µm Fluorescent microspheres (mCherry)	Invitrogen	F8801
Fibronectin, Human, 1 mg	BD Biosciences	354008
Ammonium persulfate	Bio-RAD	161-0700
Tetramethylethylenediamine (TEMED)	Bio-RAD	161-0801
Poly-D-lysine	Millipore	A-003-E
1-Ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl]carbodiimide hydrochloride (EDC)	Thermo Scientific	22980
N-hydroxysulfosuccinimide (NHS)	Thermo Scientific	24500
0.05% Trypsin-EDTA (1X)	Life Technologies	25300-054
NaCl	Sigma-Aldrich	S9888
Acrylic acid	Sigma-Aldrich	147230
Glycerol	Sigma-Aldrich	G7757
2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES)	Sigma-Aldrich	M3671
Materials
35 mm Glass bottom dish with 14 mm micro-well #1 cover glass	In Vitro Scientific	D35-14-1-N
Glass cover slips, 12 mm diam.	Ted Pella, Inc.	26023