Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
HaCaT keratinositlerinde hücre motilitesinin yüksek verimli ölçümü için bu protokol, hücre çekirdeğinin görüntülerini toplama ve işleme ve ImageJ eklentisi TrackMate kullanarak parçacık izleme gerçekleştirme yöntemlerini açıklar.
Kolektif hücresel göç, gelişim, yara iyileşmesi ve kanser metastazı dahil olmak üzere birçok temel biyolojik süreçte kilit bir rol oynar. Hücre hareketliliğinin düzenlenmesini anlamak için, onu farklı koşullar altında kolay ve tutarlı bir şekilde ölçebilmeliyiz. Burada, bir nükleer boyama kullanarak HaCaT keratinositlerinin tek hücreli ve toplu motilitesini ölçmek ve ölçmek için bir yöntem açıklıyoruz. Bu yöntem, bir görüntüleme sitesi için tek hücrelerde ve toplu olarak yer değiştirmeleri, hareketlilik oranlarını ve yörünge açılarını hesaplamak için TrackMate çıktı dosyalarını analiz etmek için bir MATLAB komut dosyası içerir. Bu motilite analizi komut dosyası, TrackMate verilerinden hücre motilite oranlarının hızlı, basit ve ölçeklenebilir analizine olanak tanır ve epitel hücrelerindeki motilitenin düzenlenmesini tanımlamak ve incelemek için geniş çapta kullanılabilir. Ayrıca, mikroskopta toplanan mikroskopi videolarını yeniden düzenlemek ve bunları toplu olarak ImageJ TrackMate eklentisi kullanılarak analiz edilebilen TIF yığınlarına dönüştürmek için bir MATLAB komut dosyası sağlıyoruz. HaCaT keratinositlerinde hücre motilitesini düzenlemede adherens bağlantılarının ve aktin hücre iskeleti dinamiklerinin rollerini araştırmak için bu metodolojiyi kullanarak, HaCaT keratinositlerinde α-katenin tükenmesinden sonra görülen yüksek motilite için Arp2/3 aktivitesinin gerekli olduğuna dair kanıtlar gösteriyoruz.
Epitel hücrelerindeki hücresel motilitenin kesin ve duyarlı bir şekilde düzenlenmesi, yara iyileşmesi ve epitel tabakasının yenilenmesi için çok önemlidir. Motilitenin sürdürülememesi, embriyonik gelişim ve yara iyileşmesi ile ilgili sorunlarayol açabilir 1 ve aşırı aktif motilite sinyali, kanser metastazı2'ye önemli bir katkıda bulunur.
HaCaT keratinositlerinde motilitenin hücresel kontrolünü anlamak, bu süreçler hakkında önemli bilgiler sunar. Burada özetlenen prosedürler, tek hücre veya popülasyon düzeyinde hücresel hareketliliğin ortalama büyüklüğünün tutarlı ölçümlerini ve hesaplamalarını sağlar. Bu yöntemi, motilite oranlarını kontrol eden hücre sinyallemesini anlamak için genetik bozulma veya küçük molekül inhibitörleri ile tedaviden sonra HaCaT keratinositlerindeki motiliteyi ölçmek için kullandık. Sağlanan MATLAB komut dosyası, her hücre için hem ortalama hızı hem de ortalama hareketlilik yönünü ölçer.
Kolektif hücre motilitesi hem gelişimde hem de kanser metastazında epitelyal-mezenkimal geçiş için çok önemlidir3. Hücreler, yapışma, polarizasyon, çıkıntı ve geri çekilmekoordinasyonu yoluyla motilite elde eder 4. Bu süreçler büyük ölçüde dinamik aktin hücre iskeletinin koordineli düzenlenmesine dayanır. PI3K veya çeşitli reseptör tirozin kinazların aşağı akışında Rac1 GTPaz'ın aktivasyonu, hücreyi polarize eder ve aktin polimerizasyonunaneden olur 5. Aktin hücre iskeleti dinamikleri, çeşitli büyüme faktörlerinin aşağı akışı ile aktive edilen bu ve diğer Rho aracılı GTPazlar tarafından düzenlenir. Bu Rho aracılı GTPazlar daha sonra aktindallanmasını 6 uyaran Arp2/3 kompleksini aktive eder. Bu aktin hücre iskeleti dinamikleri, motilitenin başka bir önemli düzenleyicisi ile yakından ilişkilidir: hücreler arası bağlantılar. Özellikle, hücreler arasında güçlü yapışıklıklar oluşturan adherens bağlantılarının,doku bütünlüğünü korumak için aktin hücre iskeleti ile nasıl koordine olduğu ile ilgileniyoruz7.
Daha önce, shRNA aracılı bir α-katenin yıkımını ifade eden HaCaT keratinositlerinin, hedeflemeyen bir shRNA kontrolünü ifade edenlerden daha yüksek motilite oranları gösterdiğini göstermiştik8. α-kateninin tükenmesi üzerine bu yüksek motilitenin mekanizmasını daha iyi anlamak için geliştirdiğimiz motilite analiz araçlarını kullanmak istiyoruz. α-Katenin, adherens bağlantılarının9 gerekli bir sitozolik bileşenidir. Bir monomer10,11 olarak bağladığı ß-katenin ile etkileşimi yoluyla adherens bağlantılarına katılır. Bununla birlikte, α-katenin, aktin filamentlerini bağlayan ve demetleyen bir homodimer oluşturmak için adherens bağlantılarından da ayrışabilir, bu da Arp2/3 aktivitesiniinhibe eder 10,11. α-katenin, ß-katenine bağlıyken aktin ile doğrudan etkileşime girmese de, aktin filamentlerini12 stabilize eden vinküline bağlanarak adherens bağlantıları ile hücre iskeleti arasındaki koordinasyonu kolaylaştırabilir veya güçlendirebilir.
ImageJ için TrackMate eklentisi, hücre çekirdeklerini izlemek için kullanılabilecek parçacık izleme için iyi bilinen bir yöntem olsa da, birden fazla görüntüleme bölgesi için hücre hareketliliğini hesaplamak üzere TrackMate çıktılarını ayrıştırmak, analiz etmek ve birleştirmek için mevcut araçların entegre olmadığını ve birden fazla programlama dilinde uzmanlığı olmayanlar için kullanımının zor olduğunu gördük. Tinevez ve Herbert, TrackMate kullanımı hakkında bir başlangıç sunuyor, ancak ortalama kare yer değiştirme analizi bölümü önemli ölçüde MATLAB becerisigerektiriyor 13. Hızlandırılmış mikroskopi videolarından motilite oranlarını çıkarmak için mevcut yöntemler daha karmaşık üç boyutlu analizler sunar ancak daha fazla programlama uzmanlığı gerektirir14,15. Daha önce laboratuvarımızda geliştirilen bir hücre izleme ve hareketlilik analizi yazılımı olan Pathfinder, hücre göç hızını ve yönünü ölçer ancak yalnızca Windows makinelerinde çalıştırılabilir ve sınırlayıcı bir Java Runtime ortamıgerektirir 16. TrackMate çok güvenilir ve iyi belgelenmiş bir araç olduğundan, MATLAB kullanarak büyük iki boyutlu TrackMate veri kümelerini oluşturmak, analiz etmek ve düzenlemek için basit bir yöntem geliştirdik. Komut dosyamız ayrıca, izlenen bir hücre görüntüleme alanından çıktıktan sonra bazen TrackMate çıktılarında meydana gelen tekrarlanan tamsayı veri noktalarını da kaldırır ve bu sahte veri noktaları dahil edilmeden analize yüksek hareketlilik ve/veya yönlülüğe sahip hücrelerin dahil edilmesine izin verir. Ayrıca, bir ImageXpress Micro XL'de toplanan görüntüleri, TrackMate kullanılarak toplu olarak analiz edilebilen TIFF yığınları halinde yeniden düzenlemek için bir komut dosyası da sağlıyoruz.
Bu protokolde, hücreler 96 oyuklu bir görüntüleme plakasına ekilir. Hücrelerin plakanın dibine yapışması için yeterli zaman tanıdıktan sonra, onları Hoechst nükleer boyası ve motilite üzerindeki etkileri ilgi çekici olan küçük moleküllerle tedavi ediyoruz. Beş veya daha fazla saat boyunca hücre çekirdeklerinin görüntülerini topluyoruz, ardından görüntü dizileri MATLAB kullanılarak arka plan çıkarılmış TIFF yığınlarına işleniyor. Bu TIFF yığınları, her bir hücreyi17 zaman noktasında kaydeden ve izleyen ImageJ TrackMate eklentisi kullanılarak analiz edilir. Tüm görüntüleme siteleri için hücre izleri oluşturduktan sonra, hücreler görüntüleme alanından ayrıldıktan sonra ortaya çıkan sahte veri noktalarını kaldırmak ve her görüntüleme sitesi için ortalama motilite oranlarını hesaplamak için özel bir MATLAB komut dosyası kullanırız. Komut dosyası yalnızca kullanıcı tarafından belirlenen minimum zaman noktası sayısı için izlenen hücreleri analiz eder ve kullanıcının hücreleri toplam mesafeye ve/veya kat edilen yöne göre filtrelemesine olanak tanır. Sonuç, bir görüntüleme bölgesindeki tüm hücreler için bu değerlerin toplu ortalamalarını hesaplamak için kullanılan, her hücre için ortalama yer değiştirme, ortalama hareket yönü, genel yer değiştirme ve toplam hareket yönüdür. Bu protokol, nispeten yüksek verimli motilite analizine katkıda bulunan büyük görüntüleme deneylerinde toplu olarak gerçekleştirilebilir (Şekil 1).
1. Hücre kültürü ve görüntüleme plakası hazırlama
2. Görüntüleme
3. Görüntü İşleme
4. Hücre takibi
NOT: TrackMate, Tinevez et al.17'den Run_TrackMate_Headless.groovy komut dosyasının biraz değiştirilmiş bir sürümü kullanılarak belirlenmiş bir dizindeki tüm TIFF yığınlarında çalıştırılabilir veya her bir TIFF yığını için manuel olarak gerçekleştirilebilir. Bu parametreleri kullanarak tüm TIFF yığınlarında Groovy komut dosyasını çalıştırmadan önce doğru parametreleri kullandığımızdan emin olmak için FIJI'yi birkaç örnek TIFF yığınında manuel olarak çalıştırıyoruz.
5. Hareketlilik oranlarının ölçülmesi
NOT: Başarısız izleri kaldırmak ve tüm TrackMate çıktı dosyaları için motiliteyi ölçmek için sağlanan özel MATLAB komut dosyası "TrackMateAnalysis.m"i kullanın. Komut dosyası, çerçevenin dışına çıkan parçaları (konum izlemeleri varsayılan olarak tamsayılara dönüştürülür) ve belirlenen zaman noktasından daha az sayıda izlenen izleri kaldırır. Komut dosyası, çerçevenin dışına çıkan parçaları (konum izlemeleri varsayılan olarak tamsayılara dönüştürülür) ve tasarlanabilir bir zaman noktası sayısından daha az sayıda izlenen izleri kaldırır. Çıktı, tek tek hücreler ve bir görüntüleme bölgesindeki tüm hücreler için zaman noktası başına ortalama yer değiştirmedir. (Örnek çıktı: 'Output.mat')
Analiz senaryomuzun güvenilir ve tutarlı olduğundan emin olmak için, HaCaT keratinositlerinin motilitesini üç bağımsız deneyde ölçtük. Hücre motilitelerinin standart sapması deneyler arasında değişken olsa da (muhtemelen HaCaT hücrelerinin birleşme ve mekanik uyaranlara duyarlılığı nedeniyle), ortalama motilitenin, iki kuyruklu bir öğrencinin t-testine göre replikasyonlar arasında istatistiksel olarak anlamlı farklılıklar olmaksızın birden fazla deneyde tu...
Yukarıda açıklanan metodoloji ve analiz araçları, MATLAB kullanan ve minimum programlama deneyimi gerektiren HaCaT keratinositlerinin motilitesini ölçmek ve ölçmek için basit ve ölçeklenebilir bir araç sağlar. Bu protokol, hücre çekirdeklerinin en az 5 saat boyunca boyanmasını ve görüntülenmesini gerektirir. Veri toplama herhangi bir uygun mikroskopta gerçekleştirilebilirken, bu protokol, bir ImageXpress Micro XL mikroskobunda toplanan görüntüleri, tüm zaman no...
XL ve Colorado Boulder Üniversitesi, terapötikler için HDAC inhibitörlerinin geliştirilmesinde finansal bir çıkara ve OnKure'de kendi öz sermayesine sahiptir. X.L., Colorado Boulder Üniversitesi'nden tescilli HDAC inhibitörlerini lisanslayan OnKure'nin kurucu ortağı ve yönetim kurulu üyesidir. OnKure'nin bu çalışmanın deneysel tasarımında ne katılımı ne de finansmanı vardır.
Daniel Messenger, Lewis Baker, Douglas Chapnick, Adrian Ramirez, Quanbin Xu ve Liu ve Bortz laboratuvarlarının diğer üyelerine içgörüleri ve tavsiyeleri için teşekkür ederiz. Jian Tay'a MATLAB uzmanlığını paylaştığı ve XML içe aktarma işlevini yazdığı için teşekkür ederiz. BioFrontiers Gelişmiş Işık Mikroskobu Çekirdeği'nden Joseph Dragavon'a mikroskopi ve görüntüleme desteği için teşekkür ederiz. Hücre Kültürü Çekirdek Tesisi'nden Theresa Nahreini ve Nicole Kethley'e hücre kültürü destekleri için teşekkür ederiz. Bu çalışma, Ulusal Kanser Enstitüsü ve Ulusal Sağlık Enstitüleri (R01AR068254) Ulusal Artrit ve Kas-İskelet ve Deri Hastalıkları Enstitüsü'nden X.L.'ye ve Ulusal Genel Tıp Bilimleri Enstitüsü'nden (NIGMS) R01GM126559 D.B. ve X.L.G.W. ve E.N.B., NIGMS'den (T32GM08759) bir doktora öncesi eğitim bursu ile desteklenmiştir. ImageXpress Micro XL, Ulusal Araştırma Kaynakları Merkezi (S10 RR026680) tarafından desteklenmiştir. FACSAria, Ulusal Sağlık Enstitüleri (S10OD021601) tarafından desteklenmiştir.
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 |
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