Inter-сотовой связи является критическим для управления различными физиологические активности внутри и за пределами клетки. Эта статья описывает протокол для измерения пространственно-временную природу отдельных выделений клеток. Для достижения этой цели, междисциплинарный подход используется, которая объединяет без наклеек наноплазмонике зондирования с изображений живых клеток.
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.
Интер-сотовой связи имеет решающее значение для регулирования многих физиологических деятельности внутри и вне клетки. Разнообразие белков и пузырьков может быть секретируется, которые впоследствии вызывают сложные клеточные процессы, такие как дифференциации, заживления ран, иммунного ответа, миграции и пролиферации. 1-5 Неисправности межклеточных сигнальных путей были вовлечены в многочисленных расстройств, включая рак, атеросклероз и диабет, чтобы назвать несколько.
Оптимальное клеток секреции анализа должен быть способен в пространстве и времени отображения секретируемый белок, представляющий интерес, не нарушая соответствующие сигнальные пути. Таким образом, причинно-следственные связи между концентрацией профилей и ответа принимающих клеток может быть выведено. К сожалению, многие из наиболее часто используемых флуоресцентных основе методов не отвечают этим критериям. Флуоресцентные слитые белки могут быть использованы, чтобы пометить аналит Within клетку, но могут нарушить секреторный путь, или если секретируемый, приводит к диффузного свечения вне клетки, которые трудно оценить количественно. Флуоресцентные immunosandwich основе анализы наиболее часто используемые методы для обнаружения клеточных выделений, но как правило, требуют изоляции отдельных клеток. 6-11 Кроме того, введение чувствительного антитела, как правило, останавливается или заканчивает эксперимент и размер этикетки антител, 150 кДа IgG, является препятствием для передачи сигнала.
Из-за этих блок-постов, предпочтительно, чтобы методика этикетки свободной быть использованы для белковых изображения выделений и среди существующих меток, свободных технологий поверхностного плазмонного резонанса (SPR) и локализованы поверхностного плазмонного резонанса (LSPR) датчики являются превосходными кандидатами. 12-17 Это Датчики были широко используется для исследования связывания аналита белков, экзосомы и других биомаркеров. 18-24 В случае LSPR, плазмонного nanostructures можно рисунком литографически на покровные стекла и возбуждается с помощью видимого света с помощью стандартных конфигураций микроскопии широко местах. Из-за их наноразмерных след, большинство стеклянной подложке доступна общих методов визуализации, таких как светлого поля и флуоресцентной микроскопии делает эти зонды хорошо подходит для интеграции с живых клеток микроскопии. 25-28 Мы показали измерения в реальном времени антител из гибридом выделениями клеток с использованием функционализированного золотые плазмонных наноструктур с пространственными и временными решениями 225 мс и 10 мкм, соответственно. Базовая конфигурация чип показано на рисунке 1. 28 Путь Выход свет микроскопа разделить между ПЗС-камеры, используемой для съемки и волоконно-оптической сочетании спектрометра для количественного определения дробного заполнения данного массива наноструктур (рис 2 ).
Protocол представлены в этой статье описывает экспериментальную конструкцию для реального времени измерения одиночных клеток выделениями одновременно мониторинга реакцию клеток с использованием стандартного ярко-микроскопии. Мультидисциплинарная подход включает изготовление наноструктур, функционализации наноструктур для высоким сродством связывания аналитов, оптимизацию поверхности для как минимизации неспецифического связывания и характеризующей константы кинетической скорости с использованием коммерческого поверхностного плазмонного резонанса (SPR) инструмента, интеграции клеточных линий на подложку, и анализа изображений и спектральных данных. Мы ожидаем, эту технику, чтобы быть технологией для пространственно-временных карт сотовых выделениями и их причинно-следственных связей с получением клеток.
1. Изготовление наноструктур
2. Чип очистки и применение самоорганизующихся монослоя
3. Поверхность Функционализация и Кинетическая характеристика
Примечание: Используйте функционализированную чип в коммерческом SPR инструмента охарактеризовать кинетические константы скорости между лигандом и анализируемым, а также для изучения сопротивления SAM неспецифической бinding. Существует широкий диапазон скоростей потока и микрофлюидных конструкций, которые позволяют для эффективного поверхности функционализации. Так как мы имеем в продаже SPR мы стандартизированы вокруг своих рекомендованные расхода. Отметим, что эти скорости потока характерно для всех СРП инструментов и так не являются ограничительными. ППР инструмент не является необходимостью, так как все функционализации может быть сделано непосредственно на чипе LSPR, но это сократить рабочую нагрузку, потому что это мультиплексный инструмент в то время как наша LSPR Микрожидкостных установки нет.
4. LSPR Общие настройки
5. LSPR изображений анти-с-Мус выделениями из 9Е10 клеток гибридомы
Примечание: Линия клеток гибридомы использовали для этого исследования выражают анти-с-Myc антитела конститутивно и, следовательно, не требуют химической триггер
В типичной живой клетки исследования секреции есть несколько режимов сбора данных происходит. На рисунке 3 показан накладку на LSPRi образ, который подчеркивает квадратные массивы, и освещается в проходящем свете изображение, которое подчеркивает ячейку в левом нижнем углу. Данные обычно собираются в течение 3-ч с последующим введением раствора насыщающего аналита для расчета нормализации, описанного ниже. Флуоресцентный изображений также может быть интегрирован в процедуру сбора данных автоматизированной коммутации куба фильтра. На рисунке 4 клетке окрашенных флуоресцентным красителем родамин мембраны DHPE проявляет ламеллиподий, как расширения (стрелки). Если такие расширения были пересекаться с массивами они дать ложно-положительный результат на секрецию белка. Наличие нескольких режимов съемки могут помочь выявить такие случаи.
Рисунок 5 показывает спектрометрии данные до и кормеэр введение раствора насыщающего (400 нМ) купленных анти-с-Myc антитела к С-Myc функционализированных массивов. Клетки не присутствовали в этом эксперименте. Спектр отображает как красное смещение и увеличение интенсивности. Разница между площадей под двумя кривыми приводит к увеличению интенсивности изображения в режиме массива LSPRi на ПЗС-камеры. Нелинейная подход мере анализа данных площадей была разработана, чтобы вывести дробную размещение поверхностных лигандами из спектров. 30,31
В конце эксперимента, значения насыщенный интенсивности (т.е. дробно размещение ≈ 1) используются для вычисления нормализованной ответ для каждого массива, используя следующую формулу:
Где нормированная интенсивность в момент времени Т, начальная интенсивность в начале эксперимента, конечный насыщенного интенсивности и измеренная интенсивность массива в момент времени T , соответственно.
Нормированные значения от двух массивов показано на фиг.6. Один массив был в пределах 10 мкм клетки под следствием то время как другие, использовали в качестве контроля, были расстоянии 130 мкм от клетки. Внезапное увеличение в нормализованном ответ массива ближайшего к клеточной по отношению к плоской характеристикой массива управления указывает на локализованной вспышке секретируемых антител.
Рисунок 1. Датчик дизайн. Рисунок с изображением геометрию типичного эксперимента живой клетки секреции. Ячейки (синий сфероид) наносят на чип к LSPR который содержит массивы золота biofunctionalized наноструктур. В увеличенного изображения, клеточной секреции интерес, в данном случае, как антител, показанных Y-образный молекул, измеряется как они связываться с поверхностьюфункционализованного наноструктур. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Оптическая установки. Светящаяся свет от галогенной лампы сначала фильтруется долго фильтра (LP). Свет линейно поляризованным (Р1) и освещает образец с помощью 40X / 1.4 Н.А. цели. Рассеянный свет собирали целью и пропускают через скрещенные поляризатор (Р2). Разветвитель 50/50 луча (БС) вставляется в пути света, собранной для одновременного анализа спектроскопических и образов. Вверху справа:. Атомно-силовой микроскопии изображение 9 отдельных наноструктур, разделенных шагом 300 нм Пожалуйста, нажмите здесьЧтобы смотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. Живая сотовый LSPRi Исследование. Объединенный проходящего света и LSPRi изображение, показывающее один клетки гибридомы (внизу слева), окруженный 12 массивов. Это контраст улучшенное изображение. Масштабная линейка составляет 10 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4. живых клеток флуоресценции исследования. Флуоресцентный ложное цветное изображение из одного гибридомной клетки окрашивают родамин-DHPE, что мембрана краситель. В люминесцентной режиме визуализации массивов как правило, не видны, однако, поблизости массив наблюдается здесь ABне хватает площади в правом нижнем углу. Клетка может быть видно, чтобы отделить от массива, хотя щупальца, как расширений (возможно филоподий или ламеллиподий) оказываемое наружу из клеток (стрелки). Масштабная линейка составляет 10 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5. Спектральный модальности. Спектры, полученные из С-Myc функционализированного массива до и после введения 400 нм раствора анти-с-Myc антител. Нет клетки не были представлены в данном исследовании. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6. Single Cell секреции. Ответ из массива, расположенного в 15 мкм одной клетки и одного расположенного 130 мкм от (контроль). Масштабная линейка составляет 10 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
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 |
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