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 Danish 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).
Ikke-destruktiv, ikke-kontakt og etiket-fri teknologier til overvågning celle-og vævskulturer er behov for inden for biomedicinsk forskning. 1-5 imidlertid for tiden tilgængelige rutinemæssige fremgangsmåder kræver bearbejdningstrin og ændre prøve integritet. Raman-spektroskopi er en hurtig fremgangsmåde, der muliggør måling af biologiske prøver uden behov for yderligere bearbejdningstrin. . Denne laser-baseret teknologi detekterer uelastisk spredning af monokromatisk lys 6 Da hvert kemikalie vibration er tildelt en specifik Raman-bånd (bølgetal i cm-1), idet hver biologisk prøve indeholder et typisk spektral mønster på grund af deres iboende biokemisk sammensætning 7. - 9 Inden Raman spektre, topintensiteterne korrelerer med mængden af de nuværende molekylære bindinger. 1. Ligheder og forskelle i de spektrale datasæt kan påvises ved at anvende en multivariat analyse (fx principal komponent analyse (PCA)). 10
Her udfører vi Raman spektroskopi af levende celler og indfødte væv. Cellerne er enten podet på glasbund skåle eller holdes i suspension under normale cellekultur betingelser (37 ° C, 5% CO 2) før måling. Native væv dissekeres og lagres i phosphatpufret saltvand (PBS) ved 4 ° C før måling. Afhængig af vores eksperimentelle opsætning, så vi enten fokuseret på cellekernen eller ekstracellulær matrix (ECM) proteiner såsom elastin og kollagen. For alle undersøgelser, er mindst 30 celler eller 30 tilfældige steder af interesse inden for ECM målt. Databehandling trin inkluderet baggrundssubtraktion og normalisering.
1. Fremstillinq af den biologiske prøve
2. Raman-spektrometer
Vores tilpasset Ramanspektrometer kombinerer en standard fluorescensmikroskop (Olympus IX 71) med en Ramanspektrometer, der tillader direkte sammenligning af lys-marken og fluorescens billeder med Raman spektre. Det grundlæggende sæt op består af en 784 nm diodelaser (Toptica Photonics AG / Tyskland), et notch-filter til adskillelse af Raman-lysspredning fra excitationslys, et mikroskop ennd en spektrograf (Kaiser Optical Systems Inc., Ann Arbor / USA) med en ladningskoblet indretning (CCD-kamera) optimeret til påvisning af spektral information (F-vis fra bløde Imaging Systems / Tyskland).
3. Kontrol af Laser Function
4. Raman spektroskopiske målinger
Alle målinger udføres ved stuetemperatur.
5. Databehandling og analyse
6. Repræsentative resultater
Raman spECTRA genereres fra adhærente celler ofte viser et lavt signal-til-støjforhold og en lav samlet signalintensitet (fig. 1). 11 grund af, at laseren fokus skal indstilles i nærheden af glasset bunden indflydelsen af interfererende glas signal er temmelig høj, hvilket maskering af selve prøven signal. Derfor vil prøven signalet minimeres eller endda elimineres under en efterfølgende baggrundssubtraktion. Derfor foretrækker vi at bruge celler i suspension for vores Raman spektroskopisk analyse, da de muliggør påvisning af mere detaljerede spektral information. Imidlertid spektrene af adhærente og suspensionen celler udviser de samme hovedtoppe kun er forskellige i deres intensitet.
Til karakterisering af forskellige celletyper i en suspension, der ikke forbehandling nødvendig. Den gennemsnitlige Raman-spektra og standardafvigelser af humane fibroblaster, mesenchymale stamceller (MSC'er), chondrocytter og keratinocytter målt i suspension erafbildet i Figur 2. Alle Raman-spektre har en lignende struktur, med toppe stammer fra typiske biomolekyler såsom proteiner, nukleinsyrer og lipider (se tabel 1). 12. For disse celletyper, spektrale område mellem 600 og 1800 cm-1 indeholder mest relevante spektral information, som som tydelige forskelle er påviselige mellem de forskellige celletyper (fig. 2A). Eksemplarisk, vi fremhævede en spektral region (1280-1350 cm -1) viser tydelige strukturelle forskelle, som er assignes til molekylære vibrationer af kollagen og lipider. I modsætning hertil er morfologiske undersøgelser ikke egnet til identifikation og skelnen af de fleste celler (fig. 2B-I). Mens forskellen mellem chondrocytter og hudceller kan observeres (fig. 2D, H eller B, F og E, I), fibroblaster og MSC'er er vanskelige at separere ved hjælp af udelukkende lys-felt micrsocopier (Fig. 2B, F versus C, G). 13
Raman-spektroskopisk analyse af nativt væv, især af ECM-proteiner, kræver, at en ROI kan visualiseres ved lyse-felt billeddannelse for at være i stand til at fokusere på de respektive struktur. For tildelingen af et protein til en bestemt fingeraftryk spektrum, vi genereret Raman spektre af kommercielt tilgængelige rene proteiner og immunhistologisk farvede kryosnit. Her har vi identificeret fingeraftrykket spektrene af elastiske fibre i native væv sammenligner lyofiliseret elastin og immunofluorescens-farvede kryosektioner anvender et antistof mod elastin. Men eftersom elastin har en høj autofluorescens, hvilket afspejles i Raman-spektre, dataanalyse er udfordrende (fig. 3A). At reducere den systematiske fejl som følge af sample-specifikke egenskaber, såsom autofluorescens, en passende behandling af datasættene er afgørende. I vores data enalyses, anvendte vi normalisering til at eliminere den væsentligt højere signalintensiteten af den rene elastin protein, og således, at vi var i stand til at frembringe sammenlignelige Raman-spektre (fig. 3B). Elastin er en af de mest stabile ECM-proteiner i kroppen og er derfor meget vanskeligt at nedbrydes. 14 I vores eksperimentelle opsætning vi induceret elastin nedbrydning i raske porcine aortaklapflige ved at udføre en enzymatisk fordøjelse. Anvendelse af multivariabel analyse PSA, identificerede vi signifikante forskelle mellem den Raman-spektre af enzymatisk behandlede prøver og native kontroller (Fig. 3C). Disse spektrale forskelle blev observeret i påfyldningsstillingen spektrum ved 861, 1003 og 1664 cm-1. Forventede strukturelle ændringer i elastin-holdige fibre på grund af længere eksponeringstider for elastase er blevet vist ved Hart farvning (fig. 4), som blev også afspejlet i flere forskellige udskiftelige score klynger (fig. 3C).

Figur 1. Middel Raman-spektre af aftagne og adhærerende fibroblaster.

Figur 2 (a) Middel Raman-spektre og standardafvigelser af fire forskellige primære isolerede celletyper (fibroblaster, MSC, chondrocytter og keratinocytter). Rammen fremhæver det spektrale område på 1280 - 1350 cm-1 med strukturelle forskelle. (BE) Lys-field billeder aftagne (B) fibroblaster, (C) MSC'er (D) chondrocytter og (E) keratinocytter. Målestokken er lig 20 um. (FI) Lys-field billeder af adhærente (F) fibroblaster, (G) MSC'er (H) chondrocytter og (I) keratinocytter. Målestokken er lig 200 um.

Figur 3 (a) Raman-spektre uden normalisering af lyophiliZed elastin (blå linie), immunofluorescens (IF)-mærkede kryosnit (orange linie) og elastiske fibre (rød linje), målt inden for indfødte aortaklapflige. Det høje signal intensitet lyofiliseret elastin forårsages af autofluorescens. (B) Raman-spektre efter normalisering for at eliminere systemfejl. (C) scorer og belastninger af sammenligningen mellem ikke-behandlet kontrol (rød) og enzymatisk nedbrudt (blå og grøn) elastiske fibre i native væv.

Figur 4. HART's-farvede porcine aortaklapflige. Elastiske fibre er visualiseret i sort. (A) og (B) viser ubehandlet kontrol og (C) og (D) viser vævsprøver, som blev udsat for elastin-nedbrydende enzym elastase i 30 minutter.
| Bølgetal i cm-1 | Opgave 12 | |
| 717-719 | CN | Fosfolipider |
| 785-788 | DNA / RNA baser, OPO rygraden | DNA / RNA |
| 1003 - 1005 | Phenylalanin | Protein |
| 1220-1280 | Amid III | Protein |
| 1445-1447 | CH2 | Protein / lipid |
| 1655-1680 | Amid IC = C | Protein Lipid |
Tabel 1. Raman-bånd, der er detekteret inden spektre af alle celletyper (fibroblaster, MSC, chondrocytter og keratinocytter).
Raman-spektroskopi er en egnet værktøj til analyse af biologiske prøver, såsom in vitro-dyrkede celler og ECM-proteiner såvel som celler i native væv. 11,15,16 Her har vi demonstreret, at denne ikke-kontakt etiket-fri teknik tillader diskrimination af forskellige celletyper og påvisning af ECM protein nedbrydning udelukkende baseret på den iboende biomolekylære sammensætningen af disse biologiske prøver.
Den største fordel ved Raman spektroskopi er evnen til ikke-invasivt kvantificere biokemiske fingeraftryk af en prøve af den resulterende Raman-spektre. I modsætning til infrarød spektroskopi, hvilket giver lignende information kan Raman-spektre opsamles fra vandige prøver, som Raman spredning af vand er svag. Desuden er Raman spektroskopi udelukkende baseret på påvisning af tilbagespredning af monokromatisk lys, og derfor er ingen prøve behandling, som kræves før måling. Disse egenskaber gør Ramand spektroskopi et lovende alternativ til potentiel in vivo billeddannelse anvendelser. I denne forbindelse, er sammenhængende anti-Stokes Raman spektroskopi (CARS) en meget interessant teknik, da det gør det hurtigere og mere følsomme erhvervelse af data baseret på de samme vibrationelle signaler anvendes i vores eksperimenter. 15,16 Andre alternative metoder, herunder multiphoton-induceret autofluorescens og anden harmoniske generation billeddannelse er tidligere blevet vist at være egnede til monitorering af biologiske prøver uden eller med minimal invasiv. 17 imidlertid er disse afbildningsmodaliteter forbundet med meget høje omkostninger og er begrænset til autofluorescens-genererende molekyler. Desuden er Raman spektrometer let at kombinere med konventionelle optiske mikroskoper. Disse egenskaber gør Raman spektroskopi et værdifuldt værktøj til at studere biologiske prøver i fysiologiske miljøer.
En af de nuværende begrænsninger i vores Raman spektroskopi oprettet erDen relativt lille Laser Focus (250 nm fuld bredde halvt maksimum (FWHM) lateral og 700 nm FWHM aksial), der er skabt af en høj numerisk apertur mål (NA = 1,2). Selv om en høj numerisk apertur tillader at dække en god mængde af det udsendte Raman lys giver i et højt signal-støjforhold, høj NA frembringer kun en lille samling fokus i prøven, som typisk er meget mindre end en celle. For at sammenligne Raman-spektre af forskellige celler, tapning af en repræsentativ spektrum er væsentligt, hvilket er vanskeligt at opnå med en lille fokusområde. For at løse dette problem, vi arbejder på en proces for at automatisere signalet indsamlingen på forskellige punkter i cellen (= Raman spektroskopiske kortlægning), hvilket resulterer i en spektral gennemsnit og giver til et repræsentativt spektrum. Derudover vil denne teknik giver et overblik over fordelingen af specifikke Raman-bånd, for eksempel af proteinet fordeling i en celle.
Biological prøver er meget komplekse og består af en heterogen blanding af biomolekyler, der bidrager til samlet Raman-spektre. Derfor spektrale mønster er meget kompleks, og overvågning af en enkelt type af et molekyle i et Raman-spektrum er vanskelig at opnå med overlapning af de forskellige molekyle signaler. Desuden kan iboende fluorescens af prøven maskere værdifuld information svagere Raman signaler. Interessant nok i nogle af vores tidligere undersøgelser, identificerede vi autofluorescens i Raman spektre som den vigtigste differentierende faktor mellem celletyper (MSC og fibroblaster) ved hjælp af en relevant analyse værktøj. 13 Vi har også konstateret, at ændringer i den overordnede Raman signalintensitet kan tjene som en indikator for tilstanden af kollagen og kollagen fibre i ECM af aortaklapflige. 9 Men når man analyserer tilstanden af elastin i disse væv, var vi ikke i stand til at registrere tilsvarende resultater. Som nævnt i det resultats sektion vi kun var i stand til at detektere ændringer i specifikke Raman-bånd i elastase-behandlede prøver sammenlignet med de native kontroller. Vi kunne ikke se et fald i den samlede Raman signal i de enzymatisk-behandlede prøver som forventet. Disse observationer resulterede i en score plot, der ikke klart viser en klynge formation som vist i den tidligere undersøgelse. 9 I modsætning hertil blev indflydelsen af den enzymatiske behandling kan påvises inden for PCA resultater. Vi antager, at forskellene mellem de to ECM-proteiner, elastin og collagen, er baseret på morfologiske forskelle og forskellige enzymatiske nedbrydningsprodukter processer: i aortaklappen folder er collagen-rige zone (fibrosa) et kontinuert lag, der bliver løsnet på grund af enzymatisk behandling, hvorved elastin indeholdende zone (ventricularis) har en netværkskonfiguration der vises fragmenteret efter udsættelse for elastase (fig. 4). Enkelte punktmålinger var derfor ikke hensigtsspiste for at opdage sådanne små bristninger i elastin netværket. Her ville en Raman kortlægning af vævet hjælpe med at identificere nedbrud.
En yderligere udfordring i Raman spektroskopi af biologiske prøver, er at reducere måletidspunkter. En løsning er at forøge lasereffekt, der er egnet, så længe de biologiske prøver ikke er påvirket af foto-beskadigelse. Alle vores nuværende eksperimenter er proof-of-principle undersøgelser, der fokuserer på grundforskning, men vores overordnede mål er at gennemføre Raman spektroskopi til kliniske anvendelser, herunder regenerativ medicin (f.eks kvalitetskontrol af væv-manipuleret), præ-transplantation graft overvågning og kræftdiagnostik.
Ingen interessekonflikter erklæret.
Vi takker Steffen Koch for hans teknisk support og Shannon Lee Layland (både Fraunhofer IGB Stuttgart) for hans nyttige forslag til manuskriptet. Dette arbejde blev støttet af Tiltrække program Fraunhofer-Gesellschaft og BMBF (både til 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 |