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 Norwegian 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 label-fri teknologi for å overvåke celle og vevskulturer er nødvendig innen biomedisinsk forskning. 1-5 Men foreløpig tilgjengelige rutinemetoder krever foredlingsledd og endre prøven integritet. Raman spektroskopi er en rask metode som muliggjør måling av biologiske prøver uten behov for ytterligere foredlingsledd. . Denne laser-basert teknologi oppdager uelastisk spredning av monokromatisk lys 6 Som enhver kjemisk vibrasjon er tildelt en bestemt Raman band (wavenumber i cm -1), har hver biologisk prøve en typisk spektral mønster på grunn av sin iboende biokjemiske sammensetningen 7. - 9 Innenfor Raman spektra, peak intensitet korrelerer med mengden av dagens molekylære obligasjoner. 1 Likheter og forskjeller i de spektrale datasettene kan oppdages ved å ansette en multivariat analyse (f.eks prinsipal komponent analyse (PCA)). ti
Her utfører vi Raman spektroskopi av levende celler og vev innfødte. Cellene er enten sådd på glassbunn retter eller holdt i suspensjon under normale cellekulturer forhold (37 ° C, 5% CO 2) før måling. Native vev blir dissekert og lagres i fosfatbufret saltvann (PBS) ved 4 ° C før målinger. Avhengig av vår eksperimentelle oppsett, vi så enten fokusert på cellekjernen eller ekstracellulær matrix (ECM) proteiner som elastin og kollagen. For alle studier, er et minimum av 30 celler eller 30 tilfeldige severdigheter innenfor ECM målt. Databehandling steg med bakgrunn subtraksjon og normalisering.
1. Klargjøring av biologisk prøve
2. Raman Spectrometer
Vår tilpasset Raman spektrometer kombinerer en standard fluorescens mikroskop (Olympus IX 71) med en Raman spektrometer som tillater direkte sammenligning av lys-feltet og fluorescens bilder med Raman spektra. Den grunnleggende sett består av et 784 nm diodelaser (Toptica fotonikk AG / Tyskland), et hakk filter for separasjon av Raman-spredte lyset fra eksitasjon lys, et mikroskop ennd en spektrograf (Kaiser Optical Systems Inc., Ann Arbor / USA) med en kostnad kombinert enhet (CCD kamera) optimalisert for påvisning av spektral informasjon (F-vis fra Soft Imaging Systems / Tyskland).
3. Kontroll av Laser funksjon
4. Raman spektroskopi
Alle målinger er utført ved romtemperatur.
5. Data Processing og analyse
6. Representative Resultater
Raman spectra generert fra heftende cellene ofte avslører en lav signal-til-støy-forhold og en lav samlet signal intensitet (Fig. 1). elleve grunn av det faktum at laser fokus må settes nær glassbunn, påvirkning av den forstyrrende glass signal er ganske høy, slik maskering av selve prøven signal. Følgelig kan prøven signalet bli minimalisert eller elimineres i løpet av en påfølgende bakgrunn subtraksjon. Derfor foretrekker vi å bruke celler i suspensjon for våre Raman spektroskopisk analyse, som de tillater deteksjon av mer detaljert spektral informasjon. Men spektra av heftende og fjæring celler stille de samme viktigste toppene ulik bare i deres intensitet.
For karakterisering av ulike celletyper i en suspensjon, er ingen forbehandling nødvendig. Middelverdien Raman spektra og standardavvik av menneskelige fibroblaster, stamceller (MSCS), chondrocytes og keratinocytter målt i suspensjonenavbildet i figur 2. Alle Raman spektrene er like strukturert, med topper som stammer fra typiske biomolekyler som proteiner, nukleinsyrer og lipider (se tabell 1). 12. For disse celletypene, den spektrale området mellom 600 og 1800 cm -1 inneholder mest relevant spektral informasjon, ved som klare forskjeller kan påvises mellom de ulike celletyper (Fig. 2A). Eksemplarisk, fremhevet vi en spektral-regionen (1280-1350 cm -1) viser tydelige strukturelle forskjeller, som er overdras til molekylære vibrasjoner av kollagen og lipider. I kontrast morfologiske analyser er ikke egnet for identifisering og forskjellsbehandling av de fleste celler (Fig. 2B-I). Mens forskjellen mellom chondrocytes og hudceller er observerbart (Fig. 2D, H versus B, F og E, I), fibroblaster og MSCS er vanskelig å skille bruker utelukkende lys-feltet micrsocpier (Fig. 2B, F versus C, G). 13
Raman spektroskopi analyse av innfødte vev, særlig av ECM proteiner, krever at en ROI kan bli visualisert ved lys-felt bildebehandling for å kunne fokusere på de respektive struktur. For tildeling av et protein til en bestemt fingeravtrykk spektrum, genererte vi Raman spektra av kommersielt tilgjengelige rene proteiner og immunohistologically beiset cryosections. Her identifiserte vi fingeravtrykket spektra av elastiske fibre i innfødte vev sammenligne lyofilisert elastin og immunfluorescens Fargede cryosections ansette en antistoff mot elastin. Men siden elastin har en høy autofluorescens, noe som gjenspeiles i Raman spektra, er det dataanalyse utfordrende (Fig. 3A). For å redusere systematiske feil som skyldes sample-spesifikke egenskaper som autofluorescens, en hensiktsmessig behandling av datasettene er avgjørende. I våre data enalyses, brukte vi normalisering å eliminere den betydelig høyere signal intensitet av den rene elastin protein, og dermed klarte vi å generere sammenlignbare Raman spektrene (Fig. 3B). Elastin er et av de mest stabile ECM proteiner i kroppen og er derfor svært vanskelig å bli dårligere. 14. I vår eksperimentell satt opp, induserte vi elastin degradering i friske svin aortaklaffen løpesedler ved å utføre en enzymatisk fordøyelse. Anvendelse av multivariat analyse PCA, identifiserte vi signifikante forskjeller mellom Raman spektra av enzymatisk behandlet prøvene og innfødte kontroller (Fig. 3C). Disse spektrale forskjeller ble observert i lasteslangen spekteret på 861, 1003 og 1664 cm -1. Forventet strukturelle endringer i elastin-holdige fibrer grunn lengre eksponeringstider til elastase ble vist av Harts farging (Fig. 4), som også ble reflektert i flere distinkte separable poengsum klynger (Fig. 3C).

Figur 1. Mean Raman spektra av frittliggende og tilhenger fibroblaster.

Figur 2. (A) Mean Raman spektra og standardavvik av fire forskjellige primære isolerte celletyper (fibroblaster, MSCS, chondrocytes og keratinocytter). Rammen fremhever spektrale regionen 1280 - 1350 cm -1 med strukturelle forskjeller. (BE) Bright-feltet bilder av frittliggende (B) fibroblaster, (C) MSCS, (D) chondrocytes og (E) keratinocytter. Scale bar tilsvarer 20 mikrometer. (FI) Bright-feltet bilder av heftende (F) fibroblaster, (G) MSCS, (H) chondrocytes og (i) keratinocytter. Scale bar tilsvarer 200 mikrometer.

Figur 3. (A) Raman spektra uten normalisering av lyophiliZed elastin (blå linje), immunfluorescens (IF)-merkede cryosections (oransje linje) og elastiske fibre (rød linje) målt innenfor innfødte aortaklaffen brosjyrer. Den høye signal intensitet lyofilisert elastin er forårsaket av autofluorescens. (B) Raman spektra etter normalisering for å eliminere systemiske feil. (C) Poeng og belastninger av sammenligningen mellom ikke-behandlede kontroll (rød) og enzymatisk-degradert (blå og grønn) elastiske fibre i den opprinnelige vev.

Figur 4. HART's Fargede svin aortaklaffen brosjyrer. Elastiske fibre er visualisert i svart. (A) og (B) viser ubehandlet kontroll og (C) og (D) skildrer vevsprøver som ble eksponert for elastin-nedverdigende enzymet elastase for 30 minutt.
| Wavenumber i cm -1 | Overdragelse 12 | |
| 717-719 | CN | Fosfolipider |
| 785-788 | DNA / RNA baser, OPO backbone | DNA / RNA |
| 1003 - 1005 | Fenylalanin | Protein |
| 1220-1280 | Amide III | Protein |
| 1445-1447 | CH 2 | Protein / Lipid |
| 1655-1680 | Amide IC = C | Protein Lipid |
Tabell 1. Raman band som oppdages innen spektra av alle celletyper (fibroblaster, MSCS, chondrocytes og keratinocytter).
Raman spektroskopi er et egnet verktøy for å analysere biologiske prøver, for eksempel in vitro-dyrkede celler og ECM proteiner samt celler i løpet av innfødte vev. 11,15,16 Her viste vi at dette ikke-kontakt, lar label-fri teknikk i diskriminering av ulike celletyper og påvisning av ECM protein degradering utelukkende basert på den iboende biomolekylære sammensetningen av disse biologiske prøver.
Den store fordelen med Raman spektroskopi er evnen til ikke-invasiv kvantifisere den biokjemiske fingeravtrykk av en prøve ved sin resulterende Raman spektra. I motsetning til infrarød spektroskopi, som gir tilsvarende opplysninger, kan Raman spektra hentes fra vandige prøver, som Raman scatter fra vann er svak. I tillegg er Raman-spektroskopi utelukkende basert på påvisning av tilbakespredning av monokromatisk lys, derfor er ikke prøvebehandling nødvendig før måling. Disse egenskapene gjør RaMannen spektroskopi et lovende alternativ for potensielle in vivo bildebehandlingsprogrammer. I denne hilsen, er sammenhengende anti-Stokes Raman spektroskopi (CARS) en meget interessant teknikk fordi det gir raskere og mer sensitive kjøp av data basert på de samme vibrasjonelle signalene benyttes i våre eksperimenter. 15,16 Andre alternative metoder, inkludert multiphoton-indusert autofluorescens og andre harmonisk generasjon bildebehandling tidligere har blitt vist seg å være egnet for overvåking av biologiske prøver ikke-eller minimal invasiv. 17 Imidlertid er disse bildediagnostikk assosiert med svært høye kostnader og er begrenset til autofluorescens genererer molekyler. I tillegg er Raman spektrometer lett å kombinere med konvensjonelle optiske mikroskoper. Disse egenskapene gjør Raman spektroskopi et verdifullt verktøy for å studere biologiske prøver i fysiologiske miljøer.
En av dagens begrensninger i vår Raman spektroskopi satt opp erden relativt lille laser fokus (250 nm full bredde halv maksimum (FWHM) lateral og 700 nm FWHM aksial) som er skapt av en høy numerisk apertur objektiv (NA = 1,2). Selv om en høy numerisk apertur tillater å dekke en god mengde av utsendt Raman lys som gir et høyt signal-til-støy-forhold, produserer høy NA bare en liten samling fokus i utvalget som er typisk mye mindre enn en celle. For å sammenligne Raman spektra av ulike celler, er samlingen av en representant spektrum vesentlig, noe som er vanskelig å få med et lite fokusområde. For å løse dette problemet, jobber vi med en prosess for å automatisere signalet samling på ulike punkter i cellen (= Raman spektroskopi kartlegging), som resulterer i en spektral snitt og gi etter for et representativt spekter. I tillegg vil denne teknikken gi en oversikt over fordelingen av spesifikke Raman band, for eksempel av proteinet distribusjon innenfor en celle.
Biological prøver er svært komplekst og består av en heterogen blanding av biomolekyler som bidrar til samlet Raman spektrene. Derfor er det spektrale mønsteret svært komplekst og overvåking av en enkelt type av et molekyl i en Raman spektrum er vanskelig å oppnå med overlapping av ulike molekyl signaler. I tillegg kan iboende fluorescens i prøven maskere verdifull informasjon om svakere Raman signaler. Interessant, i noen av våre tidligere studier, identifiserte vi autofluorescens i Raman spektrene som den viktigste skille faktor mellom celletyper (MSCS og fibroblaster) ved hjelp av en passende analyseverktøy. 13 Vi identifiserte også at endringer i den totale Raman signal intensitet kan tjene som en indikator for tilstanden i kollagen og kollagenfibre innenfor ECM av aortaklaffen brosjyrer. 9 Men når analysere tilstanden elastin i disse vev, var vi ikke i stand til å oppdage lignende resultater. Som nevnt i resultatets del, var vi bare i stand til å oppdage endringer i spesifikke Raman band i elastase-behandlede prøver i forhold til de innfødte kontrollene. Vi så ikke en nedgang av den totale Raman signal i enzymatisk behandlet prøvene som forventet. Disse observasjonene førte en score plott som ikke avslører noen klar klynge formasjon som i forrige undersøkelse. 9 I kontrast, ble påvirket av den enzymatiske behandlingen oppdages innenfor PCA resultatene. Vi antar at disse avvikene mellom de to ECM proteiner, elastin og kollagen, er basert på morfologiske forskjeller og ulike enzymatisk nedbrytning prosesser: i aortaklaffen pakningsvedlegget, er kollagen-rik sone (fibrosa) en sammenhengende lag som blir løsnet på grunn av enzymatisk behandling, der elastin inneholder sone (ventricularis) har en nettverkskonfigurasjon som vises fragmentert etter eksponering for elastase (Fig. 4). Enkelt sted målinger var derfor ikke hensiktsmessigspiste å oppdage slike små brudd i elastin nettverket. Her vil en Raman kartlegging av vev bidra til å identifisere nettverket sammenbrudd.
En ytterligere utfordring i Raman spektroskopi av biologiske prøver er å redusere måleresultatene ganger. En løsning er å øke laser makt, noe som er egnet så lenge de biologiske prøvene ikke påvirkes av foto-skade. Alle våre nåværende eksperimenter er proof-of-prinsippet studier som fokuserer på grunnleggende forskning, men er vårt overordnede mål å gjennomføre Raman spektroskopi for kliniske applikasjoner, inkludert regenerativ medisin (f.eks kvalitetskontroll av vev-konstruerte produkter), pre-transplantasjon pode overvåking og kreftdiagnostikk.
Ingen interessekonflikter erklært.
Vi takker Steffen Koch for sin tekniske støtte og Shannon Lee Layland (både Fraunhofer IGB Stuttgart) for hans nyttige forslag på manuskriptet. Dette arbeidet ble finansielt støttet av Tiltrekke program av 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 |