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Articles by Nathan J. Sniadecki in JoVE
JoVE General
微阵列后探测器（mPADs）：机械力的方法来隔离
1Department of Bioengineering, University of Pennsylvania, 2University of Washington
在这段视频中，我们展示了如何制造和使用微加工后的阵列探测器（mPADs）评估细胞收缩的调制。
Other articles by Nathan J. Sniadecki on PubMed
通过场效应流控制的聚合物微泵的压力诱导。
微流控场效应流控制 （远东） 修改 zeta 电位的渗流使用通过微通道墙应用横向电场。以前在基于硅的表现出和玻璃微系统，远东提出了这里作为优雅聚合物微流体与简单和低成本的制造过程中的流控制方法。除了直接的远东流调制，独立横向电场在连接微通道中演示了生产之间微差抽率。由本地 zeta 电位控制形成的不同的电渗抽率诱使微通道交会，从而导致水动力泵通过互连的外地无微的内部压力。适用于门电极电压调制调整的幅度和方向的双向压力抽水，精细分辨率卷流率从-2 到 2 nL/min 中显示的字段无微。
急诊多细胞形式和力学所控制的增长模式。
细胞生长的空间格局生成帮助推、 折叠、 展开的机械应力和变形组织而成为他们的具体形式。遗传因素被认为指定模式的增长和开车的形态发生的其他行为。在这里，我们显示组织窗体本身可以喂回以规管的扩散模式。我们使用微控制本组织的工作表的单元格，显示增生性病灶的稳定模式的出现。区域的集中增长符合高牵引应力在工作表中，作为由多细胞力学有限元模型预报与实测直接通过使用微机械力传感器阵列内生成的区域。抑制肉基于紧张或钙粘蛋白介导的细胞之间的连接中断扩散的空间格局。这些研究结果表明存在的模式的机械力量源自收缩的细胞，摆脱其多细胞组织，并导致的增长模式。因此，组织形式是后果不仅积极组织生长的调节器。
在细胞基质界面剪力： 增强超微型邮政阵列探测器的分析。
机械力量的胞外环境与细胞骨架间的相互作用在许多组织中驱动器的发展、 修理与衰老。这些部队的量化定义是理解细胞 mechanosensing 中的重要一步。超微型邮政阵列探测器 （mPADs） 在细胞外基质细胞粘附性提供细胞生成部队直接测量。MPAD 邮政标记、 容积成像和邮政弯曲力学分析新方法确定单元格应用剪力和不在矩阵接口点的时刻。此外，这些部队能被准确地解析从邮政挠度使用邮政毛条和基地的形象。然后制定了图像分析工具，以提高精度和邮政质心位置的吞吐量。这些研究导致广泛的适用性和使用一个完全自动化的武力分析系统的简明执行力测量的一种改进方法。新的方法措施细胞生成部队少于 5%的误差，并不少于 90 秒的计算时间。使用这种方法，我们直接证明和蜂窝牵引之间的独特关系力和传播为成纤维细胞、 内皮细胞、 上皮细胞及平滑肌细胞细胞表面面积。
细胞基质相互作用的纳米技术。
在追求要了解细胞和及其基础底物之间的相互作用，生命科学开始纳入微和纳米技术为基础的工具，来探测和测量单元格。这些工具的发展预示着无尽的可能性是人体组织的生理基础细胞和其周围微环境之间的基本关系的新见解。在这里，我们检讨的技术和工具，用于研究细胞如何响应在其环境中的物理因素。我们还讨论了悬而未决的问题，可通过这些方法，以更好地阐明的分子过程和支配其物理支架和细胞之间的相互作用的机械力量加以解决。
超微型硅胶弹性后阵列测量贴壁细胞的牵引力量。
非肌细胞细胞施加生物力学部队称为牵引部队在细胞外基质 (ECM)。空间协调这些牵引部队对 ECM 是部分负责指挥细胞迁移、 重塑周围组织支架，和褶皱和形态发生期间看到的重排。通过大量的离散单元格与 ECM 之间的粘连应用的牵引力量。我们制定了设备组成的数组的灵活、 超微型职位能测量这些部队下贴壁细胞。Functionalizing ECM 蛋白与每个职位的顶部允许附加和跨职位的顶端的单元格。细胞迁移或收缩期间细胞生成的牵引力量成正比挠度的员额的提示。在本章中，我们描述微细加工、 制备，实验使用的这种超微型邮政阵列探测器系统 (mPADs)。
作为一种方法适用于活细胞的部队的磁性 Microposts。
细胞响应机械部队是否应用外部或内部生成通过细胞骨架。我们应用于单元超微型磁职位含钴纳米线穿插其中的弹性的职位，担任独立感应到蜂窝牵引部队数组通过外部力量分开，研究对部队的细胞反应。磁场诱导纳米线，其中偏转的磁性的员额和传授部队向个别粘连的细胞连接到阵列中的扭矩。使用此系统，我们审查了对施加的力的细胞反应和发现用力一步导致当地粘着大小在应用程序的网站，但不是能在附近的非磁性职位增加。当细胞受到多个部队冗余并联在相同的时间间隔内粘着招募了进一步加强。在对这种力量刺激反应中记录的牵引力量显示两个响应： 突然丧失几分钟收缩的刺激或逐步衰退的第一分钟内发生的收缩。对于这两种类型的响应，在牵引部队损失的亚细胞分布不是局限于地点附近驱动 micropost，也统一跨整个单元格，而相反在沿单元格周围的离散位置发生。在一起，这些数据揭示重要的外部和内部之间的动态生物关系部队和证明此超微型系统探讨这种相互作用的实用程序。
生物细胞的机械刺激磁 Microposts： 制备、 表征及分析。
作为机械信号的触觉及对其微环境作出反应的细胞使用武力。了解如何机械部队活细胞的影响，需要的工具集，可以应用纳米部队和还测量细胞的牵引力量的发展。然而，一直缺乏集成驱动的技术和传感元件研究武力作为机械信号。在这里，我们描述的系统使用的弹性 microposts 数组通过嵌入 microposts 钴纳米线的单元格应用的外部力量。首先，我们生化对待职位的曲面以限制细胞粘附到职位的提示。然后通过应用均匀的磁场 (B < 0.3 T)，我们诱使电磁转矩纳米线传输到细胞粘附站点作为外部力量。我们实现了外部势力的达 45 nN，处于当前纳米力探测技术的上限范围。非磁性 microposts，同样编写但没有纳米线，环绕磁性的 microposts 和用来衡量的牵引力量和细胞力学模型中的更改。我们记录的规模和方向的外力和牵引部队通过光学测量挠度的 microposts，线性偏转悬臂簧片。使用此方法，我们可以测量牵引部队之前和之后力激励为监测到部队的细胞反应。我们目前的制作方法、 磁力表征和用于实现测量的图像分析技术。
小小的触摸： 激活的信号通路与磁性纳米粒子的单元格。
磁性纳米粒子可以使它们能够与细胞表面受体结合的特定配体涂层。当应用一个磁场时，它拉对颗粒使他们在配体-受体债券提供纳米级部队。认为以这种方式的机械刺激可以激活被称为力化学转导通路的细胞信号传导通路。整合素受体、 细胞骨架牵张激活离子通道、 焦粘连，关键球员中激活这些途径，但还有很多我们不知道这些 mechanosensors 是如何工作的。当前的证据表明，在这些结构施加的力可以激活经信号、 Src 家族蛋白激酶、 MAPK 和 RhoGTPase 的途径。磁扭和磁性镊子，使用磁性粒子应用于单元格的部队，技术起精细程度，控制细胞受了刺激和有广阔的前景在阐明力学传递的基本方式。这些粒子通常不是有害于健康细胞，和其纳米尺寸使其便于探测细胞分子尺度感官结构。这次审查突出了磁性纳米粒子的基本方面、 磁粉技术和结构和所涉及的力化学转导通路。
血小板退缩强制使用灵活邮政力传感器测量。
血小板由形成血栓性插头，密封容器壁，并促进血管愈合止血中发挥了重要作用。血小板坚持和聚合在伤口站点后，其下一步是生成通过理化之间的交互的肌动蛋白、 肌球蛋白和 alpha(IIb)beta(3) 整合素受体，退刀血栓的大小，并加强其粘附到暴露的矩阵协调的收缩力量。虽然血小板收缩力量 (PCF) 明确血栓与止血的功能，但有几种方法可以直接测量它们。在此研究中，我们描述方法，以衡量在使用微观灵活邮政力传感器阵列的微血栓的 PCF 的发展。举办了准静态测量和现场显微成像的职位凝血酶激活血小板测定各种止血条件相当稳健发展。微血栓发现产生凝血酶浓度和激活时间，单调增加的部队，但部队平息时凝血酶已被删除。港口货运量预测结果是在阵列上的印有纤维连接蛋白或纤维蛋白原的职位统计相似。PCF 测量结合了血块体积测量数据，以确定每血小板的平均力 60 分钟后是 2.1 + /-0.1 的神经网络，这是大大高于什么已经与以前的方法来衡量。总体而言，PCF 测量的灵活邮政数组是有希望的方法，评估血小板功能、 血小板的生理和病理、 不同矩阵或受体激动剂对止血的反应，并提供关于血小板活性，可以指导新止血或血栓性战略的关键信息的影响。
机械上市力规管路口单元格的大小。
肉收缩功能通过在矩阵单元格和单元格的接触处的机械部队代部分影响组织内的细胞组织。虽然增加机械负荷在细胞基质粘连导致粘着增长是否部队驱动器更改大小的单元格粘连仍然是一个悬而未决的问题。调查多形核白细胞导致路口 (AJ) 强迫的响应能力，我们调整超微型力传感器单元格上市力和 AJ 大小定量报告的制度。我们观察到 AJ 大小调制而成内皮细胞上市部队： AJs 和扯力增长或分别与肌球蛋白激活或抑制作用，衰变情况。AJs 依赖肌球蛋白的调控运作与 Rac1 的音乐会，显示对细胞间隙连接稳定性的血管通透性代理凝血酶 S1P） 影响被扭转的 Rac 和肌球蛋白依赖性途径改变的程度，这些代理再加上，表明此协调的监管。此外，直接应用机械上市力，而不是肌球蛋白活动本身，就足以触发 AJ 增长。这些研究结果表明机械部队和细胞间可能的胶粘剂的相互作用的动态协调对维持细胞完整性至关重要，突出表明，需要新的方法来研究上市部队。
解耦扩散型从三维控制信号 3D 文化中揭示了在 Tubulogenesis 中的肌球蛋白的作用。
我们目前对培养细胞的微米尺度的阵列内的新型超微型平台三维 (3D) 细胞外基质支架 （微凝胶）。这些微型文化消除扩散障碍而是固有的传统的 3D 文化系统 (macrogels) 和启用统一的细胞因子刺激的整个文化人口，以及允许应用，跨相对共面微凝胶成像和基于人口的生化检测。检查与肝细胞生长因子 (HGF) 相关联的早期信号-介导的散射和细胞 tubulogenesis 透露 3D 文化调节细胞反应通过维度和改变刺激率。比较在 2D 文化、 微凝胶和 macrogels 的反应表明肝细胞生长因子诱导 ERK 信号驱动动态的刺激而不是单元格是否在 2D 或 3D 环境中，而此 ERK 信号是同样重要的是肝细胞生长因子诱导细胞散射对衬底 2D 和 3d tubulogenesis。相比之下，我们发现导致持续下调的肌球蛋白的活动，只在 3D 的上下文内发生需要 3D tubulogenesis 但不是 2D 散射的肌球蛋白表达特定诱导肝细胞生长因子增加。有趣的是，虽然不能在单元格上胶原涂层板、 下调的肌球蛋白活性也发生细胞胶原凝胶上的但是瞬态和介导的脱氮除磷肌球蛋白组合和增强肌球蛋白表达。此外，通过有针对性的对肌球蛋白磷酸酶的 siRNA 植肌球蛋白活性不能减弱散射在 2D 中，但并未抑制 tubulogenesis 3d。共同，这些结果表明可溶性线索的 3D 文化细胞应对受这两个比率的刺激而由矩阵维数和突出这些影响，以确定有关的细胞的功能，在 3D 环境中的早期信号解耦的重要性。
坚定的附着力和早期轮回之人单核细胞内皮细胞中的机械部队。
六道轮回的白细胞跨内皮屏障，一个受到严格控制的过程，涉及多个步骤，包括滚动粘连、 坚定的附着力，然后通过内皮细胞的单层白细胞的渗透。虽然很详细说明了关键的分子信号，我们现只是刚刚开始公布参与这一进程的机械部队。在这里，我们使用由细胞的超微型系统报告生成的牵引力量，描述部队坚定单核细胞粘附和轮回期间由血管内皮细胞生成。单核细胞坚定地遵守和 transmigrated，平均牵引力跨内皮细胞的单层急剧增加。有趣的是，单核细胞直接接触的内皮细胞表现出相对于其邻居要大得多的牵引部队和这些牵引力量的方向对齐 centripetally 对单核细胞。牵引力的增加发生在单核细胞粘附，本地亚细胞区，距离迅速消散。要开始来描述此力学效应的基础，我们显示珠涂有抗细胞间粘附分子-1 或绑定到单分子膜的血管细胞黏附分子-1 抗体可以重现这种效果。两者合计，这项研究提供了新方法审查在规管通过内皮细胞白细胞轮回的细胞力学的作用。
收缩周期在细胞迁移中使用生物-化学-力学模型的模拟。
细胞迁移依赖牵引力量驱使一个单元格。几种计算模式已经得到发展，有助于解释单元格可以在迁移期间，但在此过程中，已对牵引部队很少注意的轨迹。在这里，我们调查细胞迁移的时空的动态通过使用一种生物化学机械收缩模式，纳入了细胞迁移的职位在数组上的第一个步骤。在模型中，形成新的粘连的原因重新激活的单元格内应力纤维大会。该模型是能够预测的空间分布情况与以前的实验观察到的牵引力量。此外，模型发现迁移的单元格的牵引力量所施加的应变能经历了上升，形成的新的粘附和爱上释放的粘附其尾部的循环关系。
衬底刚度增加颤搐电源的乳鼠心肌细胞相关性肌原纤维结构与细胞内钙的变化。
新生儿发展过程中，是相吻合的心肌刚度增加心脏的收缩能力增加。体外检测表明衬底刚度作用调节产生的未成熟心肌细胞的颤搐部队。但是，由于难以测量颤搐速的心肌细胞不清楚颤搐电源对其影响。在这里，我们介绍我们所考虑的一种新的方法，来量化颤搐电源通过结合光学线扫描与亚力决议 micropost 阵列的时间分辨率。使用此方法，发现颤搐电源要求比较大的细胞培养上更严厉的职位，尽管具有较低的颤搐速度。增加的电源被归因于改进肌原纤维结构 （增加的肌节长度和 Z 频带宽度） 和细胞内钙水平。Α-肌动蛋白的免疫荧光染色发现心肌细胞有更大的肌节长度和 Z 频带宽度时培养更严厉的阵列上。此外，在休息和其呈上升趋势，其中每个肌纤维收缩细胞内钙离子浓度的大，更严厉的职位上的单元格。总之，这些结果表明心肌细胞响应衬底刚度与生物力学和生物化学的变化，导致心肌收缩力增加。
美国的血小板： 研究流体流动和血小板退缩的起作用的技术力量在微和纳米的尺度。
凝血涉及一套复杂的在保持止血中很重要的事件。生化互动经典众所周知，规管止血过程中，但最近的证据表明，机械血小板和周围环境之间的相互作用也可以发挥重大作用。血小板美国调查颇具挑战性但是，血小板及其糖蛋白受体的尺寸小。血小板的研究人员最近转向超微型设备来控制程度较高的精度，这些物理、 纳米级交互。这些方法使影响血小板中血栓形成的分子和生物力学因素令人兴奋的新见解。在这次审查，我们突出显示用来了解血小板美国和角色的附着力，剪切流和退缩部队在血栓形成中的新工具。
