Method Article

سير العمل التجريبي وتحليل البيانات للمسافة البادئة النانوية للمادة اللينة

DOI:

10.3791/63401

⸱

January 18th, 2022

 ,  ,  ,  ,  , 
1Centre for the Cellular Microenvironment, James Watt School of Engineering, University of Glasgow, 2Optics 11 life, 3Laboratory of Biosensors and Bioelectronics, ETH Zürich

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقدم البروتوكول سير عمل كامل لتجارب المسافة البادئة النانوية للمواد اللينة ، بما في ذلك الهلاميات المائية والخلايا. أولا ، الخطوات التجريبية للحصول على بيانات التحليل الطيفي للقوة مفصلة ؛ بعد ذلك ، يتم تفصيل تحليل هذه البيانات من خلال برنامج Python مفتوح المصدر تم تطويره حديثا ، وهو مجاني للتنزيل من GitHub.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تشير المسافة البادئة النانوية إلى فئة من التقنيات التجريبية حيث يتم استخدام مسبار القوة الميكرومترية لتحديد الخواص الميكانيكية المحلية للمواد الحيوية والخلايا اللينة. اكتسب هذا النهج دورا مركزيا في مجالات البيولوجيا الميكانيكية وتصميم المواد الحيوية وهندسة الأنسجة ، للحصول على توصيف ميكانيكي مناسب للمواد اللينة بدقة مماثلة لحجم الخلايا المفردة (ميكرومتر). الاستراتيجية الأكثر شيوعا للحصول على مثل هذه البيانات التجريبية هي استخدام مجهر القوة الذرية (AFM). في حين أن هذه الأداة توفر دقة غير مسبوقة في القوة (وصولا إلى pN) والفضاء (sub-nm) ، فإن قابليتها للاستخدام غالبا ما تكون محدودة بسبب تعقيدها الذي يمنع القياسات الروتينية للمؤشرات المتكاملة للخواص الميكانيكية ، مثل معامل يونغ (E). اكتسب جيل جديد من المسافات البادئة النانوية ، مثل تلك القائمة على تقنية استشعار الألياف الضوئية ، شعبية مؤخرا لسهولة تكاملها مع السماح بتطبيق قوى دون nN بدقة مكانية ميكرومتر ، وبالتالي فهي مناسبة لاستكشاف الخصائص الميكانيكية المحلية للهلاميات المائية والخلايا.

في هذا البروتوكول ، يتم تقديم دليل خطوة بخطوة يوضح بالتفصيل الإجراء التجريبي للحصول على بيانات المسافة البادئة النانوية على الهلاميات المائية والخلايا باستخدام nanoinenter الاستشعار عن الألياف الضوئية المتاح تجاريا. في حين أن بعض الخطوات خاصة بالأداة المستخدمة هنا ، يمكن اعتبار البروتوكول المقترح كدليل لأجهزة المسافة البادئة النانوية الأخرى ، بشرط أن يتم تكييف بعض الخطوات وفقا لإرشادات الشركة المصنعة. علاوة على ذلك ، يتم تقديم برنامج Python جديد مفتوح المصدر مزود بواجهة مستخدم رسومية سهلة الاستخدام لتحليل بيانات المسافة البادئة النانوية ، مما يسمح بفحص المنحنيات المكتسبة بشكل غير صحيح ، وتصفية البيانات ، وحساب نقطة الاتصال من خلال إجراءات رقمية مختلفة ، والحساب التقليدي ل E ، بالإضافة إلى تحليل أكثر تقدما مناسب بشكل خاص لبيانات المسافة البادئة النانوية أحادية الخلية.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تأسيس الدور الأساسي للميكانيكا في علم الأحياء في الوقت الحاضر 1,2. من الأنسجة الكاملة إلى الخلايا المفردة ، يمكن للخواص الميكانيكية أن تبلغ عن الحالة الفيزيولوجية المرضية للمادة الحيوية قيد التحقيق 3,4. على سبيل المثال ، أنسجة الثدي المصابة بالسرطان أكثر صلابة من الأنسجة السليمة ، وهو مفهوم هو أساس اختبار الجس الشعبي5. والجدير بالذكر أنه تبين مؤخرا أن مرض الفيروس التاجي 2019 (COVID-19) الناجم عن فيروس كورونا 2 المسبب للمتلازمة التنفسية الحادة الوخيمة (SARS-CoV-2) يتم تأكيده من خلال التغيرات في الخواص الميكانيكية لخلايا الدم ،....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تحضير الركائز / الخلايا لقياسات المسافة البادئة النانوية

  1. اتبع الخطوات الواردة في البروتوكول التكميلي لإعداد الهلاميات المائية / الخلايا PAAm لتجارب المسافة البادئة النانوية. يتم تلخيص الإجراء في الشكل 2.
    ملاحظة: تم اختيار الهلاميات المائية PAAm لأنها الهلاميات المائية الأكثر شيوعا المستخدمة في مجال علم الأحياء الميكانيكي. ومع ذلك ، فإن البروتوكول ينطبق بالتساوي على أي نوع من هيدروجيل25 (انظر المناقشة ، تعديلات الطريقة).

2. بدء تشغيل الجهاز واختيار المسبار ومعايرة المسبار

  1. اتبع الخطوات الوار....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

باتباع البروتوكول ، يتم الحصول على مجموعة من منحنيات F-z. من المرجح أن تحتوي مجموعة البيانات على منحنيات جيدة ، ومنحنيات يجب التخلص منها قبل متابعة التحليل. بشكل عام ، يجب التخلص من المنحنيات إذا كان شكلها مختلفا عن الشكل الموضح في الشكل 4 أ. يوضح الشكل 5AI مجموعة بيانات من ~ 100 منحني تم الحصول عليها على هيدروجيل PAAm ناعم من E 0.8 KPa35 المتوقع الذي تم تحميله في واجهة المستخدم الرسومية NanoReady. تقدم معظم المنحنيات خط.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يوضح هذا البروتوكول كيفية الحصول بقوة على بيانات المسافة البادئة النانوية للتحليل الطيفي للقوة باستخدام محرك نانوي عالي الطويق متاح تجاريا على كل من الهلاميات المائية والخلايا المفردة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم توفير تعليمات لاستخدام برنامج مفتوح المصدر مبرمج في Python يشتمل على سير عمل دقيق لتحليل بيانات المسافة البادئة النانوية.

الخطوات الحاسمة في البروتوكول
تم تحديد الخطوات التالية لتكون ذات أهمية خاصة عند اتباع هذا البروتوكول.

إعداد العينة

<.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تعترف GC و MAGO بجميع أعضاء CeMi. تقر MSS بالدعم من خلال منحة برنامج EPSRC (EP / P001114 / 1).

GC: البرمجيات (المساهمة في تطوير البرمجيات والخوارزميات) ، التحليل الرسمي (تحليل بيانات المسافة البادئة النانوية) ، التحقق من الصحة ، التحقيق (تجارب المسافة البادئة النانوية على المواد الهلامية بولي أكريلاميد) ، تنظيم البيانات ، الكتابة (المسودة الأصلية ، المراجعة والتحرير) ، التصور (الأشكال والرسوم البيانية). MAGO: التحقيق (إعداد عينات المواد الهلامية والخلايا ، تجارب المسافة البادئة النانوية على الخلايا) ، الكتابة (المسودة الأصلية ، المراجعة والتحرير) ، التصور (الأشكال والرسوم البيانية). NA

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
أغطية 12 ممVWR631-1577P
35 مم أطباق ثقافة معالجة بالخلاياGreiner CELLSTAR627160
أكريلاميدسيجما ألدريتشA4058
أكريلسيلينألفا إيسارL16400
أمونيوم بيرسولفاتميرك7727-54-0
بيساكريلاميدميرك110-26-9
Chiaro nanoindenterOptics 11 Life  لا يوجد رقم كاتولوج
الإيثانولالعام
مصل الأبقار الجنينجيبكو16140071
نسبة عالية من الجلوكوز DMEMجيبكو11995065
الأيزوبروبانولالعام
كيمwipeكيمبرلي كلارك21905-026
شرائح زجاجية مجهريةVWR631-1550P
نظام MilliQMerk MilliporeZR0Q008WW
OP1550بصريات مقياس التداخل 11 الحياةلا يوجد رقم كتالوج
البصريات 11 مسبار الحياة (k = 0.02-0.005 N / m ، R = 3-3.5 um)البصريات 11 الحياةبدون رقم كاتولوجي
البصريات 11 مسبار الحياة (k = 0.46-0.5 N / m ، R = 50-55 um)البصريات 11 الحياةبدون رقم كاتولوج
البنسلين / الستربتومايسينجيبكو15140122
RainX طارد للمطرRainX26012
أطباق بتري قياسية (90 مم)Thermo Scientific101RTIRR
TetramethylethylenediamineSigma-Aldrich110-18-9
مجفف الفراغThermo Scientific531-0250
Software< / قوي>
برنامج الحصول على البيانات (الإصدار 3.4.1)Optics 11 Life
GitHub Desktop (اختياري)Microsoft
Python 3Python Software Foundation
Visual Studio Code (اختياري)Microsoft

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Discher, D. E., Janmey, P. Y. W. Tissue cells feel and respond to the stiffness of their substrate. Science. 310 (5751), New York, N.Y. 1139-1143 (2005).
  2. Roca-Cusachs, P., Conte, V., Trepat, X. Quantifying forces in cell biology. Nature Cell Biology. 19 (7), 742-751 (2017).
  3. Gu....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Soft Matter NanoindentationNanoindentation WorkflowAtomic Force MicroscopyOptical Fiber NanoindenterYoung s ModulusMechanical PropertiesHydrogel StiffnessCell NanoindentationHertz ModelElasticity Spectra

Related Articles