Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Описаны усовершенствования стандартного метода измерения клеточных тяговых сил, основанного на микроконтактной печати с одной стадией субтрактивного паттерна точечных массивов белков внеклеточного матрикса на мягких гидрогелях. Этот метод позволяет упростить и более последовательное изготовление островных узоров, необходимых для контроля формы клеточного кластера.
Микроструктурная тракционная микроскопия позволяет контролировать форму отдельных клеток и клеточных кластеров. Кроме того, способность формировать рисунок на микрометровой шкале длины позволяет использовать эти узорчатые контактные зоны для измерения тяговых сил, поскольку каждая микроструктурированная точка позволяет формировать единую фокальную адгезию, которая затем деформирует мягкий, лежащий в основе гидрогель. Этот подход был использован для широкого спектра типов клеток, включая эндотелиальные клетки, гладкомышечные клетки, фибробласты, тромбоциты и эпителиальные клетки.
В этом обзоре описывается эволюция методов, которые позволяют печатать белки внеклеточного матрикса на полиакриламидных гидрогелях в регулярном массиве точек заранее определенного размера и интервала. Поскольку микрометровые узоры трудно непосредственно напечатать на мягких подложках, узоры сначала генерируются на жестких стеклянных крышках, которые затем используются для переноса рисунка на гидрогель во время гелеобразования. Во-первых, описан оригинальный подход микроконтактной печати для генерации массивов мелких точек на обложке. Второй шаг, который удаляет большую часть узора, чтобы оставить островки маленьких точек, необходим для управления формами клеток и клеточных кластеров на таких массивах узорчатых точек.
Далее описывается эволюция этого подхода, позволяющая генерировать островки точек с помощью одного стадии субтрактивного паттерна. Этот подход значительно упрощен для пользователя, но имеет недостаток в уменьшенном сроке службы для мастер-формы, необходимой для изготовления узоров. Наконец, описаны вычислительные подходы, которые были разработаны для анализа изображений смещенных точек и последующих клеточных тяговых полей, и предоставлены обновленные версии этих пакетов анализа.
Большинство клеточных фенотипов оказывают тяговые силы на окружающую среду. Эти тяговые силы генерируются сократительным цитоскелетом клетки, который представляет собой сеть актина и миозина, а также другими нитевидными биополимерами и сшивающими белками 1,2,3,4. Силы, генерируемые внутри клетки, могут передаваться во внеклеточную среду или соседние клетки, главным образом через трансмембранные белки, такие как интегрины и кадгерины, соответственно 5,6. То, как клетка распространяется или сжимается, и величины тяговых сил, связанных с этими движениями, является результатом тесного разговора с окружающей средой, который во многом зависит от типа и количества белка, присутствующего во внеклеточном матриксе (ECM)7,8 и жесткости ECM. Действительно, тракционная микроскопия стала бесценным инструментом для понимания реакции клеток на локальные раздражители, такие как жесткость субстрата, наложенные механические напряжения и деформации или контакт с другими клетками. Эта информация имеет непосредственное отношение к пониманию таких заболеваний, как рак и астма 9,10,11,12.
Система, которая может быть использована для измерения вызванной силой деформации подложки с известными свойствами материала, необходима для расчета тяговых сил. Эти изменения должны отслеживаться с течением времени, требуя как визуализации, так и методов обработки изображений. Одним из первых методов, используемых для определения клеточных тяговых сил, было наблюдение и анализ сокращения коллагеновых гидрогелей, засеянных клетками, хотя этот метод был только полуколичественным13. Другой, более совершенный метод заключался в измерении тяговых сил, оказываемых одиночными ячейками, путем определения сил, возникающих в результате деформации тонкого листа силикона14. Позже были разработаны более количественные методы измерения, и эти методы также позволили использовать мягкие гидрогели, такие как полиакриламид (PAA)12,15,16. При использовании этих мягких материалов тяговые силы могут быть определены по вызванному силой смещению случайно смещенных шариков, встроенных в гидрогель, и механическим свойствамгеля 16,17. Еще одним достижением стала разработка микропостовых массивов из мягкого полидиметилсилоксана (PDMS), чтобы их отклонение можно было измерить и преобразовать в силу с использованием теории пучка18.
Наконец, были разработаны методы микроструктурирования мягких гидрогелей, поскольку эти подходы позволяют контролировать контактные зоны для клеточной адгезии. Измеряя деформацию микрошаблона в области контакта ячейки, можно легко рассчитать силы тяги, поскольку не требуется безсиловое опорное изображение19. Этот метод получил широкое распространение, поскольку он позволяет косвенно моделировать регулярный массив дискретных флуоресцентных точек адгезии белка микронного размера на гелях PAA для измерения клеточных тяговых сил20. Для расчета этих сил был разработан алгоритм обработки изображений, который может отслеживать движения каждой микроструктурированной точки, не требуя ввода данных пользователем21.
Хотя этот метод прост для создания целых сеток точечных узоров, он более сложен, когда требуются узоры изолированных участков (или островков) точек. Микроструктурированные острова полезны, когда необходим контроль формы и в некоторой степени размера кластеров клеток. Для создания этих островов вышеупомянутый метод микроконтактной печати требует двух отдельных этапов: i) использование одного штампа PDMS для создания высокоточного рисунка точек на обложке, а затем ii) использование второго другого штампа PDMS для удаления большинства этих точек, оставляя после себя изолированные островкиточек 21. Сложность создания островов с помощью этого оригинального метода усугубляется тем фактом, что создание последовательных шаблонов сетки на первом этапе процесса само по себе является сложной задачей. Микропечатные штампы состоят из массива круглых микропостов, диаметр которых соответствует желаемому размеру точки. Эти штампы затем покрываются ровным слоем белка, а затем штампуются с точным давлением на обработанные крышки для создания желаемого рисунка. С одной стороны, слишком большое давление на штамп может привести к неравномерному переносу белка и плохой точности рисунка из-за изгиба или провисания между столбами, что приводит к контакту со стеклом. С другой стороны, применение слишком малого давления приводит к незначительному или нулевому переносу белка и плохой точности рисунка. По этим причинам желателен процесс переноса, который может быть использован для последовательного создания высококачественных микроструктур изолированных островков точек всего за один шаг.
В настоящем описан способ непрямого микроструктурирования островков флуоресцентных точек адгезии белка микронного размера на геле PAA, который является более последовательным и универсальным, чем ранее разработанные способы. В то время как более старые методы косвенного микроструктурирования полагаются на перенос белковых паттернов от штампа PDMS к промежуточному субстрату, метод, представленный здесь, использует штампы PDMS вместо этого в качестве сосуда для удаления белка, а не для добавления. Это делается путем сначала фундаментального изменения структуры используемых марок PDMS. Вместо того, чтобы делать штампы, которые состоят из узора из равномерно расположенных круглых столбов, штампы состоят из шаблона равномерно расположенных круглых отверстий в этом методе.
С этой новой структурой поверхность этих штампов PDMS затем может быть обработана глутаровым альдегидом, как описано ранее 20,29,30, что делает штамп способным ковалентно связываться с белком. При использовании на стеклянной крышке, равномерно покрытой флуоресцентным белком, эти обработанные глутаральдегидом штампы PDMS используются для удаления большей части белка на поверхности покровного листа, оставляя после себя только желаемый рисунок точек, предопределенный расположением отверстий микронного размера на штампе. Это изменение увеличивает успешность генерации шаблонов, состоящих из почти непрерывной сетки точек, и для создания изолированных островков точек всего за один шаг.
1. Создание силиконовых мастеров
ПРИМЕЧАНИЕ: Большая часть процесса проектирования, создания и устранения неисправностей кремниевых мастеров для повторного формования штампов PDMS была рассмотрена ранее21, поэтому здесь будут описаны только ключевые различия в этом новом подходе.
2. Субтрактивная микроконтактная печать
3. Активированные чехлы
ПРИМЕЧАНИЕ: Нижние крышки для использования в экспериментальной камере для гелей PAA изготовлены на этой стадии. Эта нижняя крышка специально обработана, чтобы гель PAA оставался надежно приклеенным, поскольку верхний узорчатый покров удаляется во время процесса моделирования. Подобные методы также описаны в других местах 10,12,15,28.
4. Изготовление геля PAA и перенос рисунка
ПРИМЕЧАНИЕ: После того, как узорчатые покровы сделаны, они должны быть использованы для переноса этих белковых паттернов в гидрогель PAA вскоре после этого (<24 ч)1,29,30. Следующий рецепт предназначен для геля PAA с модулем Юнга 3,6 кПа. Количество бис-акриламида, акриламида и воды DI можно варьировать для регулировки жесткости гелей PAA12.
5. Визуализация
6. Анализ изображений
ПРИМЕЧАНИЕ: Была разработана система, которая может измерять деформацию узорчатых гелей PAA путем определения местоположения точек вытяжения, интерполяции начальных местоположений деформированных точек, а затем расчета клеточных тяговых сил в каждом месте. Может быть использована любая программная система, способная выполнять обработку изображений и численные вычисления. Программа направлена на быстрое определение тяговых сил, устраняя пользовательский ввод и процедуры предварительной обработки, которые будут способствовать ошибкам, связанным с пользователем. Код, используемый здесь, доступен здесь в виде дополнительных файлов 2-10, и эти файлы вместе с парой изображений практики можно получить по www.bu.edu/mml/downloads.
Гидрогели PAA с модулем Юнга E = 3,6 кПа и отношением Пуассона ν = 0,445 были изготовлены для использования этим методом субтрактивного микроструктурирования. Гидрогели были сделаны толщиной ~ 100 мкм, что позволяет их визуализировать с помощью используемой здесь установки визуализа?...
В данной работе описан усовершенствованный метод косвенного моделирования гидрогелей ПАА. Этот подход основан на методах, которые использовались ранее 20,35,36,37,38,39,40,41,42.
У авторов нет конфликта интересов для раскрытия.
Авторы хотели бы поблагодарить доктора Пола Барбоуна с факультета машиностроения Бостонского университета за полезные обсуждения и помощь в анализе данных. Это исследование было поддержано грантом NSF CMMI-1910401.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
(3-aminopropyl)trimethoxysilane | Sigma Aldrich | #281778 | |
1.5 mL Microcentrifuge tube | Fisher Scientific | #05-408-129 | |
15 mL conical tube | Fisher Scientific | #05-539-12 | |
4 x 4 in 0.060 Quartz LR Chrome Photomask | Advance Reproductions Corporation | N/A | Custom-designed mask |
6 Well Plates | Fisher Scientific | #07-200-83 | |
Acetone | Fisher Scientific | #A18P-4 | |
Acrylamide Solution, 40% | Sigma Aldrich | #A4058 | |
AlexaFluor 488 | Thermo Fisher | #A20000 | |
Aminonium Persulfate | Fisher Scientific | #BP179-25 | |
Bisacrylamide | Fisher Scientific | #PR-V3141 | |
Ethanol | Greenfield Global | #111000200C1GL | |
Glass Coverslips, 25 mm round | Fisher Scientifc | #12-545-102 | |
Glass Coverslips, 30 mm round | Warner | #64-1499 | |
Hamamatsu ORCA-R2 Camera | Hamamatsu | #C10600-10B | |
Human Plasma | Valley Biomedical | #HP1051P | Used to isolate fibronectin |
Hydrochloric Acid, 1.0 N | Millipore Sigma | #1.09057 | |
ImageJ | Wayne Rasband | #1.53n | |
Interchangeable Coverslip Dish Set | Bioptechs | #190310-35 | |
Kim Wipes | Fisher Scientific | #06-666-11C | |
Mask Alinger | Karl Suss | #MA6 | |
Matlab 2021 | Mathworks | #R2021a | |
MetaMorph Basic | Molecular Devices | #v7.7.1.0 | |
N-hydroxysuccinimide ester | Sigma Aldrich | #130672-5G | |
NucBlue Live Cell Stain | Thermo Fisher | #R37605 | |
Olympus IX2-ZDC Inverted Microscope | Olympus | #IX81 | |
PD-10 Desalting Columns | GE Healthcare | #52-1308-00 | |
Photoresist Spinner Hood | Headway Research | #PWM32 | |
Plasma Cleaner | Harrick | #PDC-001 | |
Plasma Etcher | TePla | #M4L | |
Prior Lumen 200Pro Light Source | Prior Scientific | #L200 | |
Silicon Wafers, 100 mm | University Wafer | #809 | |
SU-8 2005 | Kayaku Advanced Materials Inc. | #NC9463827 | |
SU-8 Developer | Kayaku Advanced Materials Inc. | #NC9901158 | |
Sylgard 184 Silicone Elastomer | Essex Brownell | #DC-184-1.1 | |
Tetramethylethylenediamine | Fisher Scientific | #BP150-20 | |
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane | Sigma Aldrich | #448931 | |
UAPON-40XW340 Objective | Olympus | #N2709300 | |
UV Flood Exposure | Newport | #69910 | |
Wafer Carrier Tray, 110 x 11 mm | Ted Pella, Inc. | #19395-40 |
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