Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Этот протокол для высокопроизводительного измерения подвижности клеток в кератиноцитах HaCaT описывает методы сбора и обработки изображений ядра клеток и отслеживания частиц с помощью плагина ImageJ TrackMate.
Коллективная клеточная миграция играет ключевую роль во многих фундаментальных биологических процессах, включая развитие, заживление ран и метастазирование рака. Чтобы понять регуляцию подвижности клеток, мы должны иметь возможность легко и последовательно измерять ее в различных условиях. В данной работе мы описываем метод измерения и количественной оценки одноклеточной и объемной подвижности кератиноцитов HaCaT с использованием ядерного окрашивания. Этот метод включает в себя скрипт MATLAB для анализа выходных файлов TrackMate для вычисления смещений, скорости подвижности и углов траектории в отдельных ячейках и в массовом объеме для участка визуализации. Этот скрипт анализа подвижности позволяет быстро, просто и масштабируемо анализировать показатели подвижности клеток на основе данных TrackMate и может быть широко использован для идентификации и изучения регуляции подвижности в эпителиальных клетках. Мы также предоставляем скрипт MATLAB для реорганизации микроскопических видео, собранных на микроскопе, и преобразования их в стеки TIF, которые можно массово анализировать с помощью плагина ImageJ TrackMate. Используя эту методологию для изучения роли адгезивных соединений и цитоскелетной динамики актина в регуляции подвижности клеток в кератиноцитах HaCaT, мы демонстрируем доказательства того, что активность Arp2/3 необходима для повышенной подвижности, наблюдаемой после истощения α-катенина в кератиноцитах HaCaT.
Точная, отзывчивая регуляция клеточной подвижности в эпителиальных клетках имеет решающее значение для заживления ран и для пополнения эпителиального слоя. Неспособность поддерживать подвижность может привести к проблемам с эмбриональным развитием и заживлением ран1 , а гиперактивная моторика является ключевым фактором метастазирования рака2.
Понимание клеточного контроля подвижности в кератиноцитах HaCaT дает важное представление об этих процессах. Описанные здесь процедуры обеспечивают последовательные измерения и расчеты средней величины клеточной подвижности на уровне отдельных клеток или популяции. Мы использовали этот метод для измерения подвижности кератиноцитов HaCaT после генетического возмущения или лечения низкомолекулярными ингибиторами, чтобы понять клеточную сигнализацию, которая контролирует скорость подвижности. Предоставленный скрипт MATLAB измеряет как среднюю скорость, так и среднее направление подвижности для каждой ячейки.
Коллективная подвижность клеток имеет решающее значение для эпителиально-мезенхимального перехода как в развитии, так и при метастазировании рака3. Клетки достигают подвижности за счет координации адгезии, поляризации, выпячивания и ретракции4. Эти процессы в значительной степени зависят от скоординированной регуляции динамического актинового цитоскелета. Активация Rac1 GTPазы после PI3K или различных рецепторных тирозинкиназ поляризует клетку, что приводит кполимеризации актина5. Актиновая цитоскелетная динамика регулируется этой и другими Rho-опосредованными ГТФазами, которые активируются за счет последующих различных факторов роста. Эти Rho-опосредованные ГТФазы затем активируют комплекс Arp2/3, который стимулирует ветвление актина6. Динамика актинового цитоскелета тесно связана с другим ключевым регулятором подвижности: межклеточными соединениями. Нас особенно интересует, как адгезивные соединения, которые образуют сильные спайки между клетками, координируются с актиновым цитоскелетом для поддержания целостности тканей7.
Ранее мы показали, что кератиноциты HaCaT, экспрессирующие нокдаун α-катенина, опосредованный shRNA, демонстрируют более высокие показатели подвижности, чем те, которые экспрессируют нецелевой контроль shRNA8. Мы хотим использовать разработанные нами инструменты анализа подвижности для дальнейшего понимания механизма этой повышенной подвижности при истощении α-катенина. α-катенин является необходимым цитозольным компонентом адгезивных соединений9. Он участвует в адгезивных соединениях благодаря взаимодействию с ß-катенином, который связывается в виде мономера10,11. Тем не менее, α-катенин также может диссоциировать от адгезивных соединений с образованием гомодимера, который связывает и связывает актиновые филаменты, что ингибирует активность Arp2/310,11. Хотя α-катенин не взаимодействует напрямую с актином, пока он связан с ß-катенином, он все же может способствовать или усиливать координацию между адгезионными соединениями и цитоскелетом через связывание с винкулином, который стабилизирует актиновые филаменты12.
В то время как плагин TrackMate для ImageJ является хорошо зарекомендовавшим себя методом отслеживания частиц, который можно использовать для отслеживания ядра клеток, мы обнаружили, что доступные инструменты для разбора, анализа и консолидации выходных данных TrackMate для расчета подвижности клеток для нескольких сайтов визуализации не были интегрированы и были сложны в использовании для тех, кто не имеет опыта работы с несколькими языками программирования. Тиневез и Герберт предлагают введение в использование TrackMate, но раздел анализа среднего квадратного смещения требует значительных навыков работы с MATLAB13. Существующие методы извлечения показателей подвижности из видеороликов с интервальной микроскопией предлагают более сложный трехмерный анализ, но требуют большего опыта программирования14,15. Pathfinder, программное обеспечение для отслеживания клеток и анализа подвижности, ранее разработанное в нашей лаборатории, измеряет скорость и направление миграции клеток, но доступно только на компьютерах с Windows и требует ограничивающей среды Java Runtime16. Поскольку TrackMate является надежным и хорошо документированным инструментом, мы разработали простой метод создания, анализа и организации больших двумерных наборов данных TrackMate с помощью MATLAB. Наш скрипт также удаляет повторяющиеся целочисленные точки данных, которые иногда возникают в выходных данных TrackMate после того, как отслеживаемая ячейка выходит за пределы места визуализации, что позволяет включать в анализ клетки с высокой подвижностью и/или направленностью без включения этих ложных точек данных. Мы также предоставляем скрипт для реорганизации изображений, собранных на ImageXpress Micro XL, в стеки TIFF, которые можно анализировать в большом объеме с помощью TrackMate.
В этом протоколе клетки засеиваются в 96-луночный визуализирующий планшет. Дав достаточно времени для того, чтобы клетки прилипли к нижней части пластины, мы обрабатываем их ядерным красителем Хёхста и любыми мелкими молекулами, влияние которых на подвижность представляет интерес. Мы собираем изображения ядра клеток в течение пяти или более часов, после чего последовательности изображений обрабатываются в стеки TIFF с вычитанием фона с помощью MATLAB. Эти стеки TIFF анализируются с помощью плагина ImageJ TrackMate, который регистрирует и отслеживает каждую отдельную ячейку по временным точкам17. После того, как мы создали треки клеток для всех сайтов визуализации, мы используем пользовательский скрипт MATLAB для удаления ложных точек данных, возникающих после того, как клетки покидают поле визуализации, и вычисляем среднюю скорость подвижности для каждого сайта визуализации. Скрипт анализирует только те ячейки, которые отслеживаются для заданного пользователем минимального количества временных точек, и позволяет пользователю фильтровать ячейки по общему расстоянию и/или направлению движения. Результатом являются среднее смещение, среднее направление движения, общее смещение и общее направление движения для каждой клетки, которые используются для вычисления объемных средних значений этих значений для всех клеток в узле визуализации. Этот протокол может быть выполнен в больших масштабах экспериментов по визуализации, что позволяет проводить анализ подвижности с относительно высокой пропускной способностью (рис. 1).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Подготовка клеточных культур и планшетов для визуализации
2. Визуализация
3. Обработка изображений
4. Отслеживание клеток
ПРИМЕЧАНИЕ: TrackMate может быть запущен на всех стеках TIFF в указанном каталоге с использованием слегка измененной версии скрипта Run_TrackMate_Headless.groovy от Tinevez et al.17 или может быть выполнен вручную для каждого отдельного стека TIFF. Мы запускаем FIJI вручную на нескольких примерах стеков TIFF, чтобы убедиться, что мы используем правильные параметры, прежде чем запускать скрипт Groovy на всех стеках TIFF с использованием этих параметров.
5. Количественная оценка показателей подвижности
ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте предоставленный пользовательский скрипт MATLAB "TrackMateAnalysis.m" для удаления неудачных трассировок и количественной оценки подвижности для всех выходных файлов TrackMate. Скрипт удаляет треки, которые выходят за пределы кадра (трассировки местоположения которых по умолчанию равны целым числам), и треки, которые отслеживаются менее чем заданного количества временных точек. Скрипт удаляет треки, которые выходят за пределы кадра (трассировки местоположения которых по умолчанию равны целым числам), и треки, которые отслеживаются меньше, чем заданное количество временных точек. На выходе получается среднее смещение за определенный момент времени для отдельных клеток и всех клеток в узле визуализации. (Пример вывода: 'Output.mat')
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Чтобы убедиться в надежности и последовательности нашего сценария анализа, мы измерили подвижность кератиноцитов HaCaT в трех независимых экспериментах. Мы обнаружили, что в то время как стандартное отклонение клеток было переменным между экспериментами (возможно, из-...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Методология и инструменты анализа, описанные выше, предоставляют простые и масштабируемые средства для измерения и количественной оценки подвижности кератиноцитов HaCaT, которые используют MATLAB и требуют минимального опыта программирования. Этот протокол предусматри...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
X.L. и Университет Колорадо в Боулдере имеют финансовую заинтересованность в разработке ингибиторов HDAC для лечения и владеют долей в OnKure. X.L. является соучредителем и членом совета директоров компании OnKure, которая лицензировала запатентованные ингибиторы HDAC от Университета Колорадо в Боулдере. OnKure не участвует ни в разработке эксперимента, ни в финансировании этого исследования.
Мы благодарим Дэниела Мессенджера, Льюиса Бейкера, Дугласа Чапника, Адриана Рамиреса, Цюаньбина Сюя и других сотрудников лабораторий Лю и Борца за их идеи и советы. Мы благодарим Цзянь Тая за то, что он поделился своим опытом работы с MATLAB и написал функцию для импорта XML. Мы благодарим Джозефа Драгавона из BioFrontiers Advanced Light Microscopy Core за его поддержку в области микроскопии и визуализации. Мы благодарим Терезу Нахрейни и Николь Кетли из Центра клеточных культур за их поддержку в области клеточных культур. Эта работа была поддержана грантами от Национального института рака и Национального института артрита, костно-мышечных и кожных заболеваний Национальных институтов здравоохранения (R01AR068254) до X. L. и Национального института общих медицинских наук (NIGMS) R01GM126559 до D.B. и X. L. G.E.W. и E.N.B. были поддержаны грантом на предварительную подготовку от NIGMS (T32GM08759). ImageXpress Micro XL был поддержан Национальным центром исследовательских ресурсов (S10 RR026680). FACSAria была поддержана Национальными институтами здравоохранения (S10OD021601).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
96-well flat clear bottom black polystyrine TC-treated microplates, individually wrapped, with lid, sterile | Corning | 3603 | |
Dulbecco's modified eagle medium (high D-glucose) | Life Technologies Corporation/Thermo Fisher Scientific | 12800-082 | |
Fetal bovine serum | Sigma-Aldrich Inc | F0926 | |
Fluorobrite Dulbecco's modified eagle medium (high D-glucose, 3.7 g/L sodium bicarbonate, no L-glutamine, no phenol red) | Gibco/Thermo Fisher Scientific | A18967-01 | |
GlutaminePlus | R&D Systems Inc. | R90210 | |
Hoechst 33342, trihydrochloride, trihydrate | Invitrogen/Thermo Fisher Scientific | H21492 | |
Penicillin streptomycin | Life Technologies Corporation/Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
Phosphate buffered saline | Gibco/Thermo Fisher Scientific | 14190-144 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены