The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Swedish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
1Department of Thoracic and Cardiovascular Surgery and Inter-University Centre for Medical Technology Stuttgart-Tübingen (IZST), Eberhard Karls University, Tübingen, 2Department of Cell and Tissue Engineering, Fraunhofer Institute of Interfacial Engineering and Biotechnology (IGB) Stuttgart, Germany, 3Department for Medical Interfacial Engineering (IGVT), University of Stuttgart, Germany, 4Institute of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, Julius-Maximillians University, Würzburg, Germany
Votteler, M., Carvajal Berrio, D. A., Pudlas, M., Walles, H., Schenke-Layland, K. Non-contact, Label-free Monitoring of Cells and Extracellular Matrix using Raman Spectroscopy. J. Vis. Exp. (63), e3977, doi:10.3791/3977 (2012).
Icke-förstörande, icke-kontakt och märkning fritt teknik för att övervaka cell-och vävnadskulturer behövs inom biomedicinsk forskning. 1-5 men för närvarande finns tillgängliga rutinmässiga metoder kräver bearbetning steg och ändra prov integritet. Raman-spektroskopi är en snabb metod som möjliggör mätning av biologiska prover utan behov av ytterligare bearbetningssteg. . Denna laser-baserad teknik upptäcker oelastiska spridning av monokromatiskt ljus 6 Eftersom alla kemiska vibration tilldelas ett specifikt Raman band (vågtal i cm -1), har varje biologiskt prov ett typiskt spektral mönster på grund av deras inneboende biokemiska sammansättning 7. - 9 Inom Raman spektra, de toppintensiteterna korrelerar med mängden av de nuvarande molekylära bindningar. 1 Likheter och skillnader i de spektrala datamängder kan upptäckas genom att använda en multivariat analys (t.ex. principalkomponentanalys (PCA)). 10
Här utför vi Raman-spektroskopi av levande celler och infödda vävnader. Celler är antingen sås på rätter glas botten eller hålls i suspension under normala förhållanden cellodling (37 ° C, 5% CO 2) före mätning. Naturliga vävnader dissekeras och lagras i fosfatbuffrad saltlösning (PBS) vid 4 ° C före mätning. Beroende på vårt experimentella uppsättning, då vi antingen fokuserat på cellkärnan eller extracellulär matris (ECM)-proteiner, såsom elastin och kollagen. För alla studier är minst 30 celler eller 30 slumpmässiga punkter av intresse inom ECM mätas. Stegen för databearbetningen ingår bakgrundssubtraktion och normalisering.
1. Framställning av det biologiska provet
2. Raman-spektrometer
Vår anpassade Raman spektrometer kombinerar en vanlig fluorescensmikroskop (Olympus IX 71) med en Raman spektrometer som gör det möjligt direkt jämförelse av ljus-fält och fluorescens bilder med Raman spektra. Den grundläggande uppsättningen består av en 784 nm diodlaser (Toptica fotonik AG / Tyskland), en notchfilter för separation av den Raman-spritt ljus från excitationsljus, ett mikroskop ennd en spektrograf (Kaiser Optisk Systems Inc., Ann Arbor / USA) med en laddningskopplad anordning (CCD-kamera) optimerad för detektion av spektralinformationen (F-se från Soft Imaging Systems / Tyskland).
3. Kontroll av Laser funktion
4. Raman-spektroskopisk Mätningar
Alla mätningar utfördes vid rumstemperatur.
5. Databehandling och analys
6. Representativa resultat
Raman-spectra alstras från vidhäftande celler uppvisar ofta en låg signal-till-brusförhållande och en låg total signalintensitet (fig 1). 11 Beroende på det faktum att lasern fokus måste sättas nära glasets botten, påverkan av interfererande glas-signalen är relativt hög, vilket orsakar maskering av det aktuella provet signalen. Följaktligen, kan urvalet signalen minimeras eller till och med elimineras under en efterföljande bakgrundssubtraktion. Sålunda föredrar vi att använda celler i suspension under vår Raman-spektroskopisk analys, eftersom de möjliggör detektering av mer detaljerad spektralinformation. Emellertid spektra av adherenta och suspensionen celler uppvisar samma huvudsakliga topparna skiljer sig endast i deras intensiteter.
För karakterisering av olika celltyper i en suspension, ingen förbehandling krävs. Medelvärdet Raman-spektra och standardavvikelserna för humana fibroblaster, mesenkymala stamceller (MSCs), kondrocyter och keratinocyter mätt i suspension äravbildas i figur 2. Alla Raman-spektra är på liknande sätt strukturerade, med toppar som härrör från typiska biomolekyler såsom proteiner, nukleinsyror och lipider (se tabell 1). 12 För dessa celltyper, det spektrala området mellan 600 och 1800 cm-1 innehåller mest relevanta spektralinformation, av som tydliga skillnader kan detekteras mellan de olika celltyperna (Fig. 2A). Exemplariskt, betonade vi en spektral region (1280-1350 cm -1) visar tydliga strukturella skillnader, vilket är hänförligt till molekylära vibrationer av kollagen och lipider. I motsats härtill morfologiska analyser är inte lämpliga för identifiering och särskiljning av de flesta celler (fig. 2B-I). Medan skillnaden mellan kondrocyter och hudceller är observerbar (fig. 2D, H i förhållande till B, F och E, I), fibroblaster och MSC är svåra att separera med enbart ljusfält micrsocopiera (fig. 2B, F kontra C, G). 13
Raman-spektroskopisk analys av nativ vävnad, i synnerhet av ECM-proteiner, kräver att en ROI kan visualiseras genom ljusfält avbildning för att kunna fokusera på den respektive strukturen. För tilldelning av ett protein till en viss fingeravtryck spektrum genererade vi Raman spektra av kommersiellt tillgängliga rena proteiner och immunohistologically färgade kryosnitt. Här identifierade vi fingeravtrycket spektra av elastiska fibrer i naturliga vävnader jämföra frystorkat elastin och immunofluorescens-färgade kryosnitt använder en antikropp mot elastin. Eftersom elastin har en hög autofluorescens, vilket återspeglas i Raman spektra är dataanalys utmanande (Fig. 3A). För att minska den systematiska fel på grund av prov-specifika egenskaper såsom autofluorescens en lämplig behandling av de dataset är avgörande. I våra uppgifter enalyses använde vi normalisering för att eliminera betydligt högre signalstyrkan i rent elastin proteinet, och därmed kunde vi skapa jämförbara Raman spektra (Fig. 3B). Elastin är en av de mest stabila ECM proteiner i kroppen och är därför mycket svårt att bryta ned 14. I vår experimentella uppsättning upp inducerade vi elastin nedbrytning i friska ventiler svin aortamembran genom att utföra en enzymatisk nedbrytning. Applicering av multivariat analys PCA, identifierade vi signifikanta skillnader mellan Raman-spektra av enzymatiskt behandlade prover och nativa kontroller (fig. 3C). Dessa spektrala skillnader observerades i laddningspositionen spektrumet vid 861, 1003 och 1664 cm-1. Väntade strukturella förändringar i elastin-innehållande fibrer på grund av längre exponeringstider till elastas visades av HART: s färgning (Fig. 4), som också återspeglas i en mer distinkta skiljas poäng kluster (figur 3C).

Figur 1. Genomsnittlig Raman spektra av fristående och vidhäftande fibroblaster.

Figur 2. (A) Medelvärde Raman-spektra och standardavvikelser för fyra olika primära isolerade celltyper (fibroblaster, MSC, kondrocyter och keratinocyter). Ramen belyser den spektrala regionen 1280 - 1350 cm -1 med strukturella skillnader. (BE) ljusfält bilder av lösgjorda (B) fibroblaster, (C) MSCs, (D) kondrocyter och (E) keratinocyter. Skalstrecket lika 20 pm. (Fl) ljusfält bilder av adherenta (F) fibroblaster, (G) MSCs, (H) kondrocyter och i) keratinocyter. Skala bar lika 200 nm.

Figur 3. (A) Raman spektra utan normalisering av lyophiliZed elastin (blå linje), immunofluorescens (IF)-märkta kryosnitt (orange linje) och elastiska fibrer (röd linje) som mäts inom infödda broschyrer aortaklaffen. Den höga signalen intensitet lyofiliserade elastin orsakas av autofluorescens. (B) Raman spektra efter normalisering för att eliminera systematiska fel. (C) Resultat och belastningar av jämförelsen mellan icke-behandlad kontroll (röd) och enzymatiskt nedbrutna (blå och gröna) elastiska fibrer inom den nativa vävnaden.

Figur 4. HART's-färgade grisaorta ventilbladen. Elastiska fibrer visualiseras i svart. (A) och (B) visar icke-behandlad kontroll och (C) och (D) visar vävnadsprover som hade exponerats för elastin-nedbrytande enzymet elastas för 30 min.
| Vågtal i cm -1 | Uppdrag 12 | |
| 717-719 | CN | Fosfolipider |
| 785-788 | DNA / RNA-baser, OPO ryggraden | DNA / RNA- |
| 1003 - 1005 | Fenylalanin | Protein |
| 1220-1280 | Amid III | Protein |
| 1445-1447 | CH 2 | Protein / lipid |
| 1655-1680 | Amid IC = C- | Protein Lipid |
Tabell 1. Raman-band som kan detekteras inuti spektra för alla celltyper (fibroblaster, MSC, kondrocyter och keratinocyter).
Raman-spektroskopi är ett lämpligt verktyg för att analysera biologiska prover, såsom in vitro-odlade celler och ECM-proteiner såväl som celler i nativa vävnader. 11,15,16 Här visade vi att denna icke-kontakt, kan etiketten utan teknik för diskriminering av olika celltyper och detektion av ECM proteinnedbrytning enbart baserat på den egentliga biomolekylära sammansättningen av dessa biologiska prover.
Den stora fördelen med Raman-spektroskopi är förmågan att icke-invasivt mäta den biokemiska fingeravtrycket av ett prov genom dess resulterande Raman-spektra. I motsats till infraröd spektroskopi, vilket ger motsvarande information, kan Raman-spektra tas från vattenhaltiga prover, som Raman-spridning från vatten är svag. Dessutom är Raman-spektroskopi enbart på detektion av bakåtspridning av monokromatiskt ljus, därför är inget prov bearbetning som krävs före mätning. Dessa attribut gör Ramannen spektroskopi ett lovande alternativ till potentialen in vivo avbildningstillämpningar. I detta avseende är konsekvent anti-Stokes Raman-spektroskopi (CARS) en mycket intressant teknik eftersom den möjliggör snabbare och känsligare förvärv av uppgifter som grundar sig på samma vibrational signalerna som används i våra experiment. 15,16 Andra alternativa metoder inklusive multiphoton-inducerad autofluorescens och andra harmoniska generationens avbildning har tidigare visat sig vara lämplig för övervakning av biologiska prover icke-eller minimal invasivt 17. Men dessa avbildningsmetoder förknippas med mycket höga kostnader och är begränsade till autofluorescens-genererande molekyler. Dessutom är Raman-spektrometer lätt att kombinera med konventionella optiska mikroskop. Dessa egenskaper gör Raman-spektroskopi ett värdefullt verktyg för att studera biologiska prover i fysiologiska miljöer.
En av de nuvarande begränsningarna hos vår Ramanspektroskopi inrättat ärden relativt lilla laserfokus (250 nm full bredd halva maximum (FWHM) sidled och 700 nm FWHM axiell) som skapas av en hög numerisk apertur eftersträvade (NA = 1,2). Även en hög numerisk apertur kan täcka en god mängd av det emitterade ljuset Raman vilket gav i en hög signal-till-brusförhållande, alstrar den höga NA endast en liten samling fokus inom provet som är typiskt mycket mindre än en cell. För att jämföra Raman-spektra för olika celler, är den samling av ett representativt spektrum nödvändig, vilket är svårt att erhålla med en liten fokusområde. För att lösa detta, vi arbetar på en process för att automatisera signalen samlingen vid olika punkter i cellen (= Raman spektroskopi kartläggning), vilket resulterar i en spektral genomsnitt och ger en representativ spektrum. Dessutom kommer denna teknik ge en översikt över fördelningen av specifika Raman-band, exempelvis av proteinet fördelning inom en cell.
Biological prover är mycket komplexa och består av en heterogen blandning av biomolekyler som bidrar till den insamlade Raman-spektra. Därför är det spektrala mönstret mycket komplexa och övervakning av en enda typ av en molekyl inom ett Raman-spektrum är svårt att åstadkomma med överlappningen av olika molekyl-signaler. Dessutom kan inneboende fluorescens provet maskera värdefull information om svagare Raman signaler. Intressant, i några av våra tidigare studier identifierade vi autofluorescens i Raman spektra som den viktigaste särskiljande faktor mellan celltyper (MSC och fibroblaster) med hjälp av en lämplig analysverktyg. 13 Vi identifierade också att förändringar i den totala Raman signalintensiteten kan fungera som en indikator för staten av kollagen och fibrer kollagen inom ECM av aortaklaffen broschyrer. 9 Men när man analyserar tillståndet av elastin i dessa vävnader, har vi inte kunnat upptäcka liknande resultat. Såsom nämnts i det resultatetsektionen, var vi bara kan upptäcka förändringar i specifika Raman-band i elastas-behandlade prover jämfört med infödda kontrollerna. Vi såg inte en minskning av den totala Raman signalen i den enzymatiskt behandlade prover som förväntat. Dessa observationer resulterade i en poäng tomt som inte visar en tydlig klusterbildning sett i den tidigare studien. 9 Däremot var inflytandet av den enzymatiska behandlingen upptäckas inom PCA resultaten. Vi antar att dessa skillnader mellan de två ECM-proteiner, elastin och kollagen, är baserade på morfologiska skillnader och olika enzymatiska nedbrytningsprocesser: inom aortaklaffen broschyren är kollagen-rika zonen (fibrosa) ett kontinuerligt skikt som blir lossas på grund av enzymatisk behandling, varigenom elastin innehåller zonen (ventricularis) har en nätkonfiguration som visas fragmenteras efter exponering för elastas (fig. 4). Enstaka plats mätningar var därför inte lämpåt att upptäcka sådana små bristningar i elastin nätet. Här skulle en Raman kartläggning av vävnaden hjälpa till att identifiera driftstopp.
En annan utmaning i Raman-spektroskopi av biologiska prover är att minska mätning gånger. En lösning är att öka den lasereffekt, som är lämplig så länge som de biologiska proverna inte påverkas av foto-skada. Alla våra nuvarande experiment proof-of-principle studier som fokuserar på grundforskning, men det är vårt övergripande mål att genomföra Raman-spektroskopi för kliniska tillämpningar inklusive regenerativ medicin (t.ex. kvalitetskontroll av vävnadstekniska produkter), pre-transplantation transplantat övervakning och cancerdiagnostik.
Inga intressekonflikter deklareras.
Vi tackar Steffen Koch för hans teknisk support och Shannon Lee Layland (både Fraunhofer IGB Stuttgart) för hans hjälpsamma förslag på manuskriptet. Detta arbete ekonomiskt stöd från Attract program Fraunhofer-Gesellschaft och BMBF (både KS-L.).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| elastase | Worthington Biochemical | LS006363 | |
| anti-elastin antibody | Sigma-Aldrich | HPA018111 | 1:75; citrate buffer |
| PBS | Lonza Inc. | 17-512F | |
| glass bottom dishes | Greiner Bio-One | 627860 | |
| The Unscrambler | CAMO | ||
| Opus | Bruker Corporation |