Method Article
Raman spektroskopisi temassız için uygun bir tekniktir, canlı hücreler, doku mühendisliği yapıları ve doğal dokuların etiket ücretsiz analizidir. Kaynak özgü spektral parmak izi oluşturulur ve çok değişkenli analiz kullanılarak analiz edilebilir.
Hücre ve doku kültürleri izlemek için tahribatsız, temassız ve etiket içermeyen teknolojilerin biyomedikal araştırma alanında ihtiyaç vardır. 1-5 Ancak, şu anda rutin işleme yöntemleri gerektiren adımları ve örnek bütünlüğünü değiştirebilir. Raman spektroskopisi daha fazla işlem adımı için gerek olmaksızın biyolojik örneklerde ölçüm sağlar hızlı bir yöntemdir. . Bu lazer tabanlı teknoloji monokromatik ışık inelastik saçılma algılar 6 her kimyasal titreşim belirli bir Raman bant (cm -1 dalga sayısı) atanan gibi, her biyolojik örnek kendi içsel biyokimyasal bileşimi nedeniyle tipik bir spektral desen özellikleri 7. - Raman içinde 9, pik şiddetlerini mevcut moleküler bağlar miktarı ile ilişkilidir. 1 Benzerlikler ve spektral veri kümelerinin farklılıkları çok değişkenli bir analiz (örneğin temel bileşenler analizi (PCA)) kullanılarak tespit edilebilir. 10 Burada, canlı hücreler ve doğal dokuların Raman spektroskopisi gerçekleştirin. Hücreler iki cam alt tabaklarının üzerine ekildi veya normal hücre kültürü koşulları altında süspansiyon muhafaza (37 ° C'de,% 5 CO2) ölçümü önce uygulanır. Doğal dokular 4 ° C de önceden ölçümleri (PBS) tamponlu tuzlu kesilir ve fosfat içinde depolanır. Bizim deney seti kadar bağlı, biz sonra da hücre çekirdeğinde veya elastin ve kollajen gibi ekstrasellüler matriks (ECM) proteinleri üzerine odaklanmıştır. Tüm çalışmaları için, 30 hücreleri veya ECM içinde ilgi 30 rastgele noktaları en az ölçülür. Veri işleme adımları arka plan çıkarma ve normalleşme dahildir.
1. Biyolojik Numune Hazırlanması
2. Raman Spektrometresi
Bizim özel Raman spektroskopisi Raman parlak alan ve floresan görüntülerin doğrudan karşılaştırma sağlayan bir Raman spektrometresi ile standart bir floresan mikroskop (Olympus IX 71) birleştirir. Temel set up 784 nm diyot laser (Toptica fotonik AG / Almanya), eksitasyon ışıktan Raman-dağınık ışık ayrılması için bir çentik filtresi, bir mikroskop, bir oluşurnd bir spektral bilgi (Yumuşak Görüntüleme Sistemleri / Almanya F-görüntülemek) tespiti için optimize edilmiş bir şarj bağlı cihaz (CCD kamera) ile spektrograf (Kaiser Optik Sistemleri A.Ş., Ann Arbor / Amerika).
3. Lazer Fonksiyon Kontrolü
4. Raman Spektroskopik Ölçümler
Tüm ölçümler oda sıcaklığında yapılır.
5.. Veri İşleme ve Analizi
6. Temsilcisi Sonuçlar
Raman spyapışık hücrelerinden oluşturulan ectra genellikle düşük sinyal-gürültü oranı ve düşük bir genel sinyal yoğunluğu (Şekil 1) lazer odak cam altında, müdahale etkisi yakın duzenlenmeli olması nedeniyle. 11 ortaya cam sinyali gerçek örnek sinyal maskeleme neden oldukça yüksektir. Bir sonraki geri çıkarma sırasında Bu nedenle, örneğin sinyal minimize olabilir veya hatta ortadan kaldırılmıştır. Onlar daha detaylı spektral bilgi algılanmasına izin olarak Böylece, biz, bizim Raman spektroskopik analiz için süspansiyon hücreleri kullanmayı tercih eder. Bununla birlikte, yapışık ve süspansiyon hücreleri spektrumları, sadece kendi yoğunluklarındaki farklı aynı temel zirveleri sergilerler.
Bir süspansiyon içinde farklı hücre tiplerinin karakterizasyonu için, herhangi bir ön-muamele gereklidir. Süspansiyon ölçülen ortalama Raman ve insan fibroblastlar, mezenkimal kök hücreler (MKH), kondrosit ve keratinositlerin standart sapma olarakŞekil 2 içinde gösterildiği. Bütün Raman benzer zirveleri (bkz. Tablo 1) protein, nükleik asit ve lipidler gibi tipik biyomoleküllerin menşeyli, yapılandırılmıştır. Bu hücre türleri için 12, 600 ve 1800 cm -1 en ilgili spektral bilgi içeren arasındaki spektral bölgede tarafından hangi belirgin farklılıklar farklı hücre tipleri (Şekil 2A) arasında algılanabilen edilir. Örnek, biz kollajen ve lipid moleküler titreşimler atanabilir olduğunu açıkça yapısal farklılıklar sergileyen bir spektral bölgede (1280-1350 cm -1) vurgulanır. Buna karşılık, morfolojik analizler çoğu hücrelerin tanımlanması ve ayrım (Şekil 2B-I) için uygun değildir. Kondrosit ve cilt hücreleri arasındaki fark (Şekil 2B, H karşı B, F ve E, I) gözlemlenebilir edilirken, fibroblast ve MKH sadece parlak alan micrsoc kullanarak ayırmak zorduropyala (Şek. 2B, F karşılık C, G). 13
Özellikle ECM proteinleri doğal dokuya, Raman spektroskopik analizi ROI ilgili yapısına odaklanmak edebilmek için, parlak alan görüntüleme ile görülebilmesi gerektirir. Belirli bir parmak izi spektrumu için bir proteinin atama için, piyasada bulunan saf protein ve immunohistologically lekeli cryosections arasında Raman oluşturulur. Burada, liyofilize elastin ve elastin karşı bir antikor istihdam immünfloresan lekeli cryosections karşılaştıran doğal dokuların içinde elastik liflerin parmak izi spektrumları belirledi. Elastin Raman yansıyan bir yüksek otofloresansı, özellikleri beri Ancak, veri analizi (Şekil 3A) zordur. Nedeniyle bu tür otofloresansı, veri kümelerinin uygun bir işleme gibi örnek özgü özellikleri sistematik başarısızlığı azaltmak için önemlidir. Bizim veriler biralyses, biz saf elastin protein anlamlı olarak daha yüksek sinyal yoğunluğu ortadan kaldırmak için normalleşme kullanılır ve bu nedenle, biz (Şekil 3B) karşılaştırılabilir Raman oluşturmak başardık. Elastin vücutta en istikrarlı ECM proteinleri biridir ve aşağılamak için bu nedenle çok zordur. Bizim deneysel set up yılında 14, biz bir enzimatik sindirimi gerçekleştirerek sağlıklı domuz aort kapakçık elastin bozulmaya bağlı. Çok değişkenli analiz PCA uygulamak, biz enzimatik tedavi edilen örnekleri ve yerel denetimleri (Şekil 3C) ve Raman arasında önemli farklılıklar tespit edilmiştir. Bu spektral farklar 861, 1003 ve 1664 cm -1 yükleme spektrumda gözlendi. Elastaz için uzun pozlama süreleri nedeniyle elastin lifleri içeren Beklenen yapısal değişiklikler de daha belirgin ayrılabilir skoru kümeler yansıdı HART Kullanıcı boyama (Şekil 4), (Şekil 3C) tarafından gösterildi.
Şekil 1. Müstakil ve yapışık fibroblastların Raman ortalama.
Şekil 2. (A) Raman ve dört farklı ilköğretim izole hücre tipleri (fibroblastlar, MKH, kondrosit ve keratinositler) ve standart sapmalar. Yapısal farklılıklar ile 1350 cm -1 - çerçeve 1280 spektral bölgede vurgulamaktadır. Müstakil (B) fibroblast (BE) Parlak alan görüntüleri, (C) MKH, (D) kondrosit ve (E) keratinositler. Ölçek bar 20 mikron eşittir. Yapışık (F) fibroblast (FI) Parlak alan görüntüleri, (G) MKH, (H) kondrosit ve (I) keratinositler. Ölçek bar 200 mikron eşittir.
Şekil 3. Lyophili normalleşme olmadan (A) Ramanzed elastin (mavi çizgi), immünofloresan (IF) etiketli cryosections (turuncu çizgi) ve nativ aort kapakçık içinde ölçülen elastik lifler (kırmızı çizgi). Liyofilize elastin yüksek sinyal yoğunluğu otofloresans kaynaklanır. Normalleştirme sonrası (B) Raman sistemik hataları ortadan kaldırmak için. (C) skorları ve arıtılmamış kontrolü (kırmızı) ve enzimatik-bozulmuş (mavi ve yeşil) doğal doku içinde elastik lifler arasında karşılaştırma yükleri.
Şekil 4. HART's lekeli domuz aort kapakçık. Elastik lifler siyah canlandırırlar. (A) ve (B) arıtılmamış kontrolü ve (C) ve (D) 30 dakika boyunca elastin-bozundurucu enzimi elastaz maruz bırakıldı doku örnekleri tasvir göstermektedir.
Cm -1 wavenumber | Atama 12 | |
717-719 | CN | Fosfolipidler |
785-788 | DNA / RNA bazları, OPO omurgası | DNA / RNA |
1003 - 1005 | Fenilalanin | Protein |
1220-1280 | Amid III | Protein |
1445-1447 | CH2 | Protein / Lipid |
1655-1680 | Amid IC = C | Protein Lipid |
Tablo 1. Bütün hücre tipleri (fibroblastlar, MKH, kondrosit ve keratinositler) spektrumu içinde algılanır Raman bantları.
Raman spektroskopisi doğal dokuların içinde in vitro-kültür hücreleri ve ECM proteinleri gibi hücrelerde gibi biyolojik örnekler, analiz için uygun bir araçtır. Burada 11,15,16, biz bu temassız, etiket serbest teknik olanak gösterdi farklı hücre tipleri ayrımcılık ve sadece bu biyolojik örneklerin içsel biyomoleküler bileşimine dayalı ECM protein yıkımı tespiti.
Raman spektroskopisi büyük avantajı, non-invaziv bundan kaynaklanan Raman tarafından örnek bir biyokimyasal parmak izi ölçmek yeteneğidir. Benzer bilgiler verir kızılötesi spektroskopi, aksine, Raman zayıf su Raman saçılma olarak, sulu örneklerinden derlenen edilebilir. Buna ek olarak, Raman spektroskopisi, sadece tek renkli ışık saçılma tespit dayanmaktadır, bu nedenle, herhangi bir örnek işleme önceden ölçülmesi gereklidir. Bu nitelikler Ra yapmakin vivo görüntüleme uygulamaları potansiyel man spektroskopisi umut verici bir alternatif. Daha hızlı ve deneylerde kullanılan aynı titreşim sinyalleri dayalı verilerin daha duyarlı toplanmasını sağlayan beri bu gelince, tutarlı bir anti-Stokes Raman spektroskopisi (CARS) çok ilginç bir tekniktir. Multiphoton bağlı otofloresans dahil 15,16 Diğer alternatif yöntemler ve ikinci harmonik üretimi görüntüleme daha önce 17 Bununla birlikte, bu görüntüleme yöntemlerinin çok yüksek maliyetler ile ilişkilidir. olmayan veya minimal invazif biyolojik örneklerin izlenmesi için uygun olduğu kanıtlanmıştır ve otofloresans üreten molekülleri ile sınırlıdır. Buna ek olarak, Raman spektrometresi konvansiyonel optik mikroskop ile birleştirmek için kolaydır. Bu özellikler Raman spektroskopisi fizyolojik ortamlarda biyolojik örnekleri çalışmak için değerli bir araç haline getiriyor.
Bizim Raman spektroskopisi mevcut kısıtlamalara biri kurmakyüksek sayısal açıklık objektif (NA = 1.2) tarafından oluşturulan nispeten küçük lazer odak (250 nm tam genişlikte yarı maksimum (FWHM) lateral ve 700 nm FWHM eksenel). Yüksek sayısal açıklık yüksek sinyal-gürültü oranı veren yayılan Raman ışık iyi bir miktar kapsayacak olanak sağlasa da, yüksek NA tipik bir hücre daha küçük örneklem içinde sadece küçük bir toplama odak üretir. Farklı hücre Raman karşılaştırmak amacıyla, temsili bir spektrum toplama küçük bir odak alanı ile elde edilmesi zor olan, esastır. Bu sorunu gidermek için, ortalama ve temsili bir spektrum veren bir spektral sonuçlanan hücre içerisinde farklı noktalarda (= Raman spektroskopisi haritalama), az sinyal toplama otomatikleştirmek için bir süreç üzerinde çalışıyoruz. Buna ek olarak, bu yöntem, bir hücre içinde proteinin dağılımının, örneğin belirli Raman gruplarından dağılımının bir özetini temin edecektir.
Biological örnekleri derece karmaşıktır ve toplanan Raman katkı biyomoleküllerin heterojen bir karışım oluşur. Bu nedenle, spektral desen derece karmaşıktır ve bir Raman spektrumu içinde bir molekülün bir tek tip izleme farklı molekül sinyalleri ile birlikte üst üste binen başarmak zordur. Ayrıca, örnek intrinsik floresans zayıf Raman sinyallerinin değerli bilgiler maskeleyebilir. İlginçtir, önceki bazı çalışmalarda, biz uygun bir analiz aracı kullanarak hücre tipleri (MKH ve fibroblastlar) arasındaki en önemli ayırıcı faktör olarak Raman otofloresan belirlendi. 13 Biz de genel Raman sinyal yoğunluğundaki değişiklikler olarak hizmet verebildiğini tespit kollajen ve aort kapak broşür ECM içinde kollajen liflerinin durumu için bir gösterge. 9 Ancak, bu dokularda elastin devlet değerlendirirken, benzer sonuçlar tespit edemedik. Sonuç olarak bahsedilens bölümünde, sadece yerli kontrollerle karşılaştırıldığında elastazı verilen örneklerinde spesifik Raman bantların değişiklikler tespit edebildi. Biz beklendiği gibi enzimatik tedavi örneklerinde genel Raman sinyalinin bir azalma görmedim. Bu gözlemler, önceki çalışmada görüldüğü gibi net bir kümelenme oluşumu vermedi.Bu bir puan komplo sonuçlandı. Aksine 9, enzimatik tedavi etkisi PCA sonuçları içinde algılanabilen edildi. Biz iki ECM proteinleri, elastin ve kolajen arasındaki bu farklılıklar morfolojik farklılıklar ve farklı enzimatik yıkım süreçleri dayalı olduğunu varsayalım: aort kapak broşürün içinde, kollajen zengin bölgesi (fibröz) nedeniyle gevşeyen için olur sürekli bir tabakadır enzimatik tedavisinde, bu sayede bölgesi (ventricularis) içeren elastin elastaz maruz (Şekil 4) sonra parçalanır görünen bir ağ konfigürasyona sahiptir. Tek nokta ölçümleri bu appropri değildielastin ağı içinde böyle küçük kopmalar tespit yedik. Burada, bir doku Raman haritalama ağ arıza belirlenmesine yardımcı olacaktır.
Biyolojik örneklerin Raman spektroskopisi bir başka zorluk ölçüm zamanlarında azaltmaktır. Bir çözüm biyolojik örnekler foto-hasarı etkilenmediği sürece uygun lazer gücü, artırmaktır. Mevcut deneylerin tüm temel araştırma odaklanan proof-of-prensibi çalışmalar olmakla birlikte, bizim genel amacı, rejeneratif tıp (doku mühendisliği ürünlerinin örneğin kalite kontrolü), ön nakli greft izleme ve dahil olmak üzere klinik uygulamalar için Raman spektroskopisi uygulamaktır kanser teşhisi.
Çıkar çatışması ilan etti.
Biz el yazması üzerine yararlı önerileri için kendi teknik destek ve Shannon Lee Layland (Fraunhofer IGB hem Stuttgart) için Steffen Koch teşekkür ederim. Bu çalışma finansal Fraunhofer-Gesellschaft ve BMBF (KS-L hem de.) Ile Çekmek programı tarafından desteklenmiştir.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reaktif Adı | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
elastaz | Worthington | LS006363 | |
anti-elastin antikor | Sigma | HPA018111 | 1:75, sitrat tamponu |
PBS | Lonza | 17-512F | |
Cam alt yemekleri | Greiner BioOne | 627860 | |
Unscrambler | CAMO | ||
Opus | Bruker |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır