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Method Article
Nós apresentamos dois independentes, microscópio de ferramentas baseadas em medir as deformações induzidas nucleares e citoesqueleto em single, vivendo células aderentes em resposta à aplicação de tensão global ou localizada. Estas técnicas são utilizadas para determinar a rigidez nuclear (ou seja, deformabilidade) e para transmissão de força sonda intracelular entre o núcleo e citoesqueleto.
Na maioria das células eucarióticas, o núcleo é a maior organela e é geralmente de 2 a 10 vezes mais duro do que o citoesqueleto redor e, conseqüentemente, as propriedades físicas do núcleo contribuir significativamente para o comportamento global biomecânica de células em condições fisiológicas e patológicas. Por exemplo, na migração de neutrófilos e invadindo as células cancerosas, rigidez nuclear pode representar um grande obstáculo durante o extravasamento ou passagem através de espaços estreitos dentro dos tecidos. 1 Por outro lado, o núcleo de células no tecido mecanicamente ativos, tais como o músculo requer suporte estrutural suficiente para suportar o estresse mecânico repetitivo. Importante, o núcleo é totalmente integrado à arquitetura celular, que está fisicamente ligado ao citoesqueleto circundante, que é um requisito essencial para o movimento intracelular e posicionamento do núcleo, por exemplo, em células polarizadas, núcleos sináptica nas junções neuromusculares, ou em células de migração. 2 Não é de surpreender que mutações em proteínas do envelope nuclear, como lamins e nesprins, que desempenham um papel crítico na determinação da rigidez nuclear e nucleo-citoesqueleto acoplamento, tem sido mostrado recentemente para resultar em uma série de doenças humanas, incluindo Emery- Dreifuss distrofia muscular, cinturas pélvica e escapular distrofia muscular e miocardiopatia dilatada. 3 Para investigar a função de diversas proteínas biofísicos envelope nuclear eo efeito de mutações específicas, desenvolvemos métodos experimentais para estudar as propriedades físicas do núcleo em um único, células vivas submetido a global ou localizada perturbação mecânica. Medição induzidos deformações nucleares em resposta ao pedido precisamente aplicado substrato tensão gera informações importantes sobre a deformabilidade do núcleo e permite a comparação quantitativa entre mutações diferentes ou linhas de células específicas para deficientes proteínas do envelope nuclear. Aplicação esforço localizado citoesqueleto com microagulhas é utilizado para complementar este ensaio e pode fornecer informações adicionais sobre a transmissão de força entre o núcleo intracelular e citoesqueleto. Estudar a mecânica nuclear em células vivas intactas preserva a arquitetura normal intracelular e evita artefatos potenciais que podem surgir quando se trabalha com núcleos isolados. Além disso, a aplicação tensão substrato apresenta um bom modelo para o estresse fisiológico experimentado por células em músculos ou outros tecidos (por exemplo, células musculares lisas vasculares expostos a tensão navio). Por último, enquanto que essas ferramentas têm sido desenvolvidas principalmente para estudar mecânica nuclear, eles também podem ser aplicados para investigar a função das proteínas do citoesqueleto e sinalização Mecanotransdução.
1. Aplicação tensão substrato
A medição da tensão nuclear normalizado inclui a preparação de pratos com tensão transparente, membranas de silicone elástico como a superfície de cultura de células, cultivo de células para os pratos, e aquisição de imagens das células antes, durante e depois (uniaxial ou biaxial) a aplicação de tensão.
Preparação de pratos silicone membrana e adesão de células
Tensão experimentos substrato
Análise
2. Microagulhas ensaio de manipulação
Preparação de pratos, as células aderentes, e microagulhas
Microagulhas experimento de manipulação
Análise
3. Resultados representativos:
Aplicação tensão substrato
Adquirimos as imagens antes, durante e após a aplicação tensão para fibroblastos de rato embrionárias a partir de lamin heterozigotos e homozigotos A / C-deficiente (LMNA + / - e LMNA - / -), e do tipo selvagem (LMNA + / +) camundongos e posteriormente calculado a tensão normalizada nuclear para cada célula. Após análise, os núcleos são validados e células que se tornam danificados ou retrair durante a aplicação de deformação são excluídos da análise. Figura 1A mostra núcleos de três células que são válidos, enquanto que Figura 1B mostra células que devem ser excluídos da análise. Normalizado dados de deformação nuclear são obtidos a partir de pelo menos três experimentos independentes (cada um contendo medidas de núcleos ~ 5-10) e comparadas com outras células ou grupos de tratamento pela análise estatística. Aumentou a tensão normalizada nuclear indica reduzida rigidez nuclear, como visto em células com expressão reduzida de proteínas do envelope nuclear lamin A / C (Figura 2).
Microagulhas ensaio de manipulação
Para o ensaio de manipulação de microagulhas, que imaged deslocamentos nuclear e do citoesqueleto durante a aplicação do citoesqueleto esforço localizado. Células que se tornam danificados ou destacados são excluídos da análise. Para a análise, medimos a magnitude dos movimentos nucleares e citoesqueleto em direção ao local de aplicação de força em um único, células aderentes. Por exemplo, na Figura 3, faixa mitocondrial (marcador para o citoesqueleto) deslocamentos antes e depois da tensão do citoesqueleto e, em seguida, traçar os deslocamentos como vetores. Cada vetor representa o deslocamento calculado como a mudança entre a posição original ea posição recentemente identificados. Regiões com baixa intensidade da imagem ou textura insuficiente (por exemplo, as regiões fora da célula) são excluídos da análise. Os deslocamentos do citoesqueleto e nuclear são então quantificados em áreas selecionadas a distâncias cada vez maior a partir do local de aplicação tensão (Figura 4, as áreas correspondentes à cor boxes em inset). Em fibroblastos embrionárias de camundongos com acoplamento nucleo-citoesqueleto intacto, as forças são transmitidas através de todas as células, resultando em deformações induzidas nucleares e citoesqueleto, que lentamente se dissipam longe do local de aplicação tensão (Figura 4). Em contraste, fibroblastos com acoplamento perturbado nucleo-citoesqueleto (ou organização do citoesqueleto alterado) exibem deslocamentos localizada perto do local de aplicação, como mostrado na Figura 4 e só pouco deformações induzidas mais longe. Aplicação tensão comparável citoesqueleto no local de inserção de microagulhas (caixa laranja) é observado para ambos os fibroblastos controle (mCherry sozinho) e fibroblastos, com uma ruptura de acoplamento nucleo-citoesqueleto (DN KASH). No entanto, induzida deslocamentos nucleares e citoesqueleto (azul, amarelo, vermelho e caixas) em outras regiões foram significativamente menores nos fibroblastos com interrompidas acoplamento nucleo-citoesqueleto (DN KASH) do que em células controle (mCherry sozinho) (Figura 4). Assim, a diminuição dos deslocamentos do citoesqueleto e nucleares longe do local de aplicação de tensão, indica que a transmissão de força entre o citoesqueleto eo núcleo foi perturbado.
Importante, temos também que as mitocôndrias são validados marcador do citoesqueleto adequado, através da realização de manipulação de microagulhas em fibroblastos de rato embrionárias transfectadas com GFP-actina ou mCherry e GFP-vimentina e fluorescente etiquetado com Mitotracker Verde ou Vermelho. Mapas de deslocamento do citoesqueleto foram calculadas de forma independente do sinal fluorescente da mitocôndria e do citoesqueleto de actina ou vimentina. O deslocamento absoluto médio foi calculado para quatro regiões distintas do citoesqueleto, a distâncias cada vez maior longe do local de aplicação de tensão. Os valores de inclinação e R-quadrado foram calculados a partir da regressão linear entre as medidas obtidas a partir de mitocôndrias e de actina ou vimentina, respectivamente. Para actina, a inclinação foi de 0,99 eo valor de R 2 foi 0,986; para vimentina, a inclinação foi de 1,04 eo valor de R2 foi 0,971, confirmando que os deslocamentos mitocondrial servir como indicadores confiáveis para as deformações do citoesqueleto.
Figura 1. Aplicação substrato pressão sobre fibroblastos de rato embrionárias (MEFs). Fibroblastos de rato embrionárias distribuídos por duas áreas distintas na membrana de silício foram fotografadas com contraste de fase e microscopia de fluorescência antes, durante e após a aplicação de 20% de deformação uniaxial. (A) Exemplo de uma experiência bem sucedida com núcleos válida a partir de células que sobreviveram à aplicação tensão sem qualquer dano ou desapego e (B) exemplo de células que retrair / parcialmente destacada durante a aplicação tensão; resultados das células representadas em (B) são excluídas da análise. Em (B), a célula do lado esquerdo mostra sinais de danos e colapso do citoesqueleto nuclear (seta), enquanto a célula do lado direito destaca parcialmente e retrai durante a aplicação de tensão. Esta pode ser uma indicação de aplicação tensão excessiva. Para uma melhor comparação, em (A) e (B) a fronteira de uma das membranas celulares unstretched é delineada em vermelho e sobreposta à mesma célula durante e após a aplicação de tensão. Em (A) a fronteira do núcleo unstretched é descrito em verde e sobreposto ao mesmo núcleo durante e após a aplicação de tensão.
Figura 2. Análise de tensão nuclear normalizada em um painel de linhas celulares diferentes MEF MEFs do LMNA -. / - E LMNA + / - os antecedentes genéticos ectopicamente expressar tanto um vetor vazio ou tipo selvagem lamin A foram analisadas. Em comparação com MEFs de tipo selvagem littermates (LMNA + / +), perda de lamin A / C resultados de expressão em diminuição da rigidez nuclear que pode ser totalmente restaurado pela reintrodução do tipo selvagem lamin A. Notavelmente, reduzido a rigidez nuclear é refletida pela aumento dos valores da tensão nuclear normalizado. As barras de erro representam os erros padrão.
Figura 3. Ensaio de manipulação de microagulhas para medir a força de transmissão intracelular. Contraste de fase (A, B) e de fluorescência (C, D) imagens de um fibroblasto rotulados com mancha nuclear (azul) e MitoTracker mitocondrial mancha (verde). A microneedle foi inserido no citoesqueleto, a uma distância definida a partir do núcleo (A e C) e, posteriormente, mudou-se para a periferia da célula (B, D). Deslocamentos do citoesqueleto e nuclear foram quantificados através do rastreamento núcleo fluorescente etiquetado e mitocôndrias usando um custom-written algoritmo de correlação cruzada. (E) mapa de deslocamento do citoesqueleto final (verde) calculado a partir de deformações série de imagens de fluorescência, comprimento seta é ampliada em 2x para melhor visibilidade. Barra de escala, 10 mM.
Figura 4. Análise de transmissão de força durante a manipulação intracelular microagulhas. Induzida deslocamentos do citoesqueleto e nuclear durante a manipulação de microagulhas, medido nas áreas correspondentes às caixas coloridas (inset em A). A caixa de laranja é o local de aplicação de tensão. Apesar da aplicação tensão semelhante no citoesqueleto (caixa laranja), induzida deslocamentos nucleares e citoesqueleto (azul, amarelo, vermelho e caixas) foram significativamente menores nos fibroblastos embrionárias de camundongos que com uma ruptura de acoplamento nucleo-citoesqueleto (DN KASH) comparado ao grupo controle ( mCherry sozinho) células.
Ensaio de tensão substrato
Aplicação cepa tem sido usada com sucesso por nós e outros grupos para estudar as deformações induzidas nuclear em células submetidas a estresse mecânico e investigar a contribuição das proteínas específicas envelope nuclear à rigidez nuclear. 08/04 A vantagem desta técnica é que ela sondas propriedades mecânicas núcleos de viver em seu ambiente normal celular e do citoesqueleto e que a aplicação tensão substrato assemelha-se a aplicaç?...
Não há conflitos de interesse declarados.
Este trabalho foi financiado pelo National Institutes of Health (R01 e R01 HL082792 NS059348) e do Hospital Brigham and Women Award do Grupo de Liderança Cardiovascular.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nome do reagente | Companhia | Número de catálogo | |
Fibronectina | Millipore | FC010 | |
MitoTracker Red FM e FM Verde | Invitrogen | M22425 e M-7514 | |
Hoechst 33342 | Invitrogen | H3570 | |
Saline Hank Sal Buffered | Invitrogen | 14185 | |
Livre de fenol, DMEM | Invitrogen | 21063 | |
Soro fetal bovino | Aleken Biologicals | FBSS500 | |
Penicilina / estreptomicina | Sigma | P0781-100ML | |
Vidro borosilicato com filamento | Instrumento Sutter | BF100-78-10 | |
Gloss / folhas silicone Gloss não-reforçada, 0.005 " | Especialidade Manufacturing Inc. | ||
Phosphate Buffered Saline Dulbecco | Invitrogen | 14200 | |
35 milímetros de vidro de fundo placas de cultura (FluoroDish) | Mundial Precision Instruments, INC | FD35-100 | |
Braycote graxa de vácuo 804 | Suprimentos Spi | 05133A-AB |
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