表达GFP-肌动蛋白的活内皮细胞的显微成像可用来表征细胞骨架结构的动态变化。与使用固定样本的技术不同,该方法可在同一细胞中详细评估在不同物理、药物或炎症刺激之前、期间和之后肌动蛋白细胞骨架随时间发生的变化。
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表达GFP-肌动蛋白的活内皮细胞的显微成像可用来表征细胞骨架结构的动态变化。与使用固定样本的技术不同,该方法可在同一细胞中详细评估在不同物理、药物或炎症刺激之前、期间和之后肌动蛋白细胞骨架随时间发生的变化。
微血管内皮在调控液体和溶质通透性方面发挥着重要的选择性屏障作用。内皮细胞之间的黏附连接调节内皮通透性,许多研究表明,肌动蛋白细胞骨架在维持连接完整性方面具有重要作用1-5。皮层肌动蛋白环被认为对维持稳定的细胞连接至关重要1, 2, 4, 5。相反,肌动蛋白应力纤维被认为在内皮细胞内产生向心张力,从而削弱细胞连接2-5。这些理论大多基于以下研究:用已知可增加内皮通透性的炎性介质处理内皮细胞,随后固定细胞并标记F-肌动蛋白以进行显微观察。然而,这些研究对肌动蛋白细胞骨架作用的理解非常有限,因为固定细胞的图像仅提供某一时间点的静态画面,无法反映肌动蛋白结构的动态变化过程5。
活细胞成像技术可将肌动蛋白细胞骨架的动态特性纳入内皮屏障完整性的机制研究中。该方法的主要优势在于,可在同一组活细胞中分别于处理前后评估各种炎症刺激对内皮细胞中肌动蛋白结构的影响,从而避免在观察固定样本时可能产生的偏差。将人脐静脉内皮细胞(HUVEC)转染表达GFP-β-actin的质粒,并在玻璃盖玻片上培养至完全汇合。在加入可诱导内皮屏障完整性发生时序性变化的炎症介质前后,分别采集汇合HUEVC中GFP-肌动蛋白的时间序列图像。这些研究可实现对肌动蛋白细胞骨架在内皮屏障破坏与恢复过程中所发生的一系列动态变化的直观观察。
我们的结果一致显示内皮细胞中局部富含肌动蛋白的片状伪足的形成与周转。同时可观察到肌动蛋白应力纤维的形成与运动。通过明场图像分析,可记录炎症刺激处理前后局部片状伪足形成与周转频率的变化。这些研究为内皮细胞中肌动蛋白细胞骨架的动态特性提供了重要信息,有助于发现此前未知的、对维持内皮屏障完整性至关重要的分子机制。
1. 用 GFP-肌动蛋白转染 HUVEC
2. 设置活细胞成像室和载台加热器
3. 使用活细胞成像显微镜获取数据
4. 数据分析
5. 代表性结果:
采用我们的转染方案,通常可在至少50%的转染HUVEC细胞中观察到GFP-肌动蛋白的表达,且经常能在盖玻片上找到 >90%的该区域HUVEC表达GFP-actin。Movie 1展示了一项表达GFP-actin的亚融合状态HUVEC的活细胞成像实验示例。在本实验中,每分钟采集一次图像。从视频中可见,HUVEC中的GFP-actin可在整个细胞质中观察到,同时可见于丝状结构以及沿细胞边缘局部伸出的片状伪足中。视频还显示,不同细胞间的GFP-actin表达水平并不均一。用于研究的细胞通常需表达足够量的GFP-actin,以便可视化含有丝状肌动蛋白的各种结构。然而,GFP-actin表达水平过高的细胞可能不利于研究,因为在这些细胞中,通常难以区分F-actin结构与大量存在的G-actin。
视频2展示了表达GFP-肌动蛋白的汇合HUEVC细胞行为的一个示例。与未完全汇合的HUEVC细胞类似,细胞边缘明显存在活跃的片状伪足形成和动态更新。然而,这些片状伪足常演变为膜皱褶,表明其突出效率较低7。这可能是由于邻近细胞的存在阻碍了其下方的基质。肌动蛋白皮层纤维和应力纤维在视频1和视频2中也清晰可见。尽管我们观察到的细胞保持静止状态,但其应力纤维类似于迁移细胞中的横向弓状纤维,它们在细胞边缘附近形成,并向细胞中心横向移动,最终在中心区域解聚8, 9。在这些细胞中观察到的另一个动态特征是肌动蛋白环状结构的形成,该结构呈同心圆方式扩展,此前被称为肌动蛋白云(actin clouds)10。
图1展示了如何利用延时成像序列通过线扫描分析(kymograph analysis)对细胞突起的距离、持续性和速度进行量化。在图1A中,沿大致垂直于细胞边缘的方向画出一条单像素线,用于生成线扫描图(图1B)。在此线扫描图中,该线所定义的区域被垂直放置,而延时成像中的各时间点图像则沿水平方向依次堆叠。从左至右观察线扫描图,细胞边缘的向上移动代表了突起的形成。在图1C中,将一条线叠加在其中一个突起的边缘上,并采集该线对应的像素数据,结果如面板底部的“结果”窗口所示。该分析方法可实现对突起动态行为的定量表征,同时亦可用于估算该细胞区域的突起频率(即单位时间内突起发生的次数)。
应力纤维运动分析的一个示例如图2所示。我们观察到的大多数应力纤维在细胞周边附近形成,并向细胞中心移动,最终在该处解聚。这一过程也可通过线扫描分析进行量化。在图2A中,画一条垂直于细胞边缘和应力纤维的线,由此生成线扫描图像(图2B)。在线扫描图像中,应力纤维表现为细胞质区域内的连续线条,通常向下并向右移动(朝向细胞中心)。有时在原始的线扫描图像中难以看清纤维,此时我们使用反锐化掩模滤镜来增强图像清晰度(图2C)。在应力纤维上绘制线条,并利用测量功能收集像素数据(图2D)。另一种收集数据的方法是,沿所识别的应力纤维起点至终点画一条线,以获得该纤维被观察期间的平均斜率(图2E)。该分析方法可对应力纤维的侧向运动进行量化,也可用于量化在细胞该区域中观察到的应力纤维数量。

图 1. 细胞边缘的线扫描分析,用于确定局部伪足的突出距离、持续时间和速度。A. 沿大致垂直于细胞边缘的路径绘制一条单像素线。从延时成像序列的每幅图像中提取该区域,生成该区域随时间变化的拼接图像。B. 在生成的线扫描图中,x 轴表示时间,从左向右推进,y 轴表示距离。细胞边缘随时间的移动可在该线扫描图中进行评估,伪足表现为细胞边缘向右移动时向上延伸的区域。C. 在识别出伪足突出的细胞边缘处绘制一条线,然后获取所画线对应边界矩形的尺寸(如叠加窗口所示)。宽度用于计算突出时间或持续时间,高度用于计算突出距离。突出速度通过高度除以宽度计算得出。在本例中,向上移动的距离为 96 像素 × 0.16125 μm/像素 = 15.5 μm,时间为 11 像素 × 1 min./像素 = 11 min。速度计算为 15.5 μm / 11 min. = 1.4 μm/min。

图2. 肌动蛋白应力纤维运动的线扫分析。A. 在细胞边缘垂直处绘制一条单像素线,以生成线扫图。B. 如图1所示,在生成的线扫图中,x轴表示时间,y轴表示距离。应力纤维在细胞中呈现为连续的线条,通常向右下方延伸(箭头所示)。C. 为了更清晰地观察应力纤维,可使用反锐化掩模滤波器。在此示例中,使用了3像素的半径和0.60的掩模权重。D. 随后在已识别的应力纤维上绘制单像素线并收集数据。本图中绘制了三条线,每次测量后按下“delete”键,以在其位置留下永久性标注(白色线)。E. 或者,若需获取应力纤维的平均距离、时间和速度,可从起始点到终点绘制一条线(黄色线),并获取相应的数据(在结果窗口中高亮显示)。本示例中,对该应力纤维共采集37帧数据,采样频率为1帧/分钟,总时长为37分钟。在此时间段内移动的距离为75帧 × 0.16125 μm/像素 = 12.1 μm。因此,该应力纤维的侧向速度为12.1 μm / 37 min = +0.33 μm/min。速度值为正表示纤维向细胞中心移动,为负则表示向细胞周边移动。
视频 1. 表达 GFP-actin 的活 HUVEC 细胞的延时图像。图像间的时间间隔为 1 min。局部片状伪足沿细胞整个周边突出。此外,横向弓形应力纤维向细胞中心侧向移动。当向浴液中加入凝血酶(1 U/ml)后,细胞轻微收缩,片状伪足的向外突出暂停约 10 min。细胞收缩后,片状伪足的形成与更新重新恢复。点击此处观看视频。
视频 2. 表达 GFP-肌动蛋白的融合 HUVEC 细胞,在凝血酶处理前和处理后的变化。右下角显示经过的时间,格式为 分钟:秒。图像间的时间间隔为 30 秒。在 45 分钟的基础观测期后加入凝血酶(1 U/ml)。标注的事件包括局部片状伪足的形成与解聚(细胞边缘附近的箭头,0:59 - 37:29)、肌动蛋白云状结构(箭头,1:59 - 21:29),以及在加入凝血酶后于三细胞连接处扩大的缝隙(箭头,62:30 - 70:00)。多个细胞中还可明显观察到横向弓形应力纤维。这些细胞在其周边持续活跃地形成并解聚局部片状伪足,其中许多进一步发展为膜皱褶。凝血酶导致片状伪足的形成与解聚暂时停止,并短暂出现一些细胞间的微小间隙。点击此处观看视频。
在活的内皮细胞中对GFP-肌动蛋白进行成像,可详细分析肌动蛋白细胞骨架在炎症刺激下的动态变化。该方法还可用于进一步研究既往发现的细胞骨架在剪切应力等物理力作用下的重构现象11。此外,该方法能够详细评估肌动蛋白细胞骨架动态变化对多种内皮细胞活动的贡献,包括细胞迁移、有丝分裂、细胞间连接的形成与连接成熟,以及屏障功能的维持。
在所示数据中,可以观察到内皮细胞肌动蛋白细胞骨架在凝血酶处理前后的变化。在非融合和融合的内皮细胞单层中,均可观察到细胞边缘各处的局部片状伪足随时间推移而形成并回缩。凝血酶处理短暂中断了片状伪足的形成与动态更新。凝血酶还导致细胞发生轻微收缩,这与先前报道一致,即凝血酶可诱导内皮细胞中肌动蛋白应力纤维的形成,并增加向心性张力12-14。然而,通过此类活细胞成像研究,现在可以确定应力纤维的来源。在人脐静脉内皮细胞(HUVEC)中,大多数应力纤维起源于细胞周边区域,形态类似于迁移细胞中的横向弓状纤维8, 9。与使用固定细胞的方法相比,该方法的另一优势在于可在同一细胞中定量分析凝血酶处理前后应力纤维的数量,从而消除实验组之间的选择偏倚。
通过本方案,我们评估细胞边缘和肌动蛋白应力纤维的动态运动。为了理解内皮细胞中肌动蛋白单体的动力学,可采用更先进的技术,如光漂白后荧光恢复(FRAP)或荧光斑点显微技术(FSM)15, 16。此外,由于微血管内皮细胞可能更能代表微血管屏障功能的理想模型,因此优化转染方案以在微血管内皮细胞中高效表达GFP-肌动蛋白,是未来合理的研究方向。
总之,对表达GFP-肌动蛋白的活内皮细胞进行成像,是研究内皮细胞肌动蛋白细胞骨架如何响应各种刺激的有力工具。利用紧密融合的内皮单层细胞开展的研究,将有助于阐明富含肌动蛋白的片状伪足和横向弧状应力纤维等动态结构在内皮屏障功能中的作用。此外,对表达GFP-肌动蛋白或其他可标记其他亚细胞结构的融合蛋白的内皮细胞进行活细胞成像,将提供详细的时间-空间信息,有助于理解决定屏障完整性的信号转导和结构机制。
GFP-β-肌动蛋白质粒由路易斯安那州立大学健康科学中心-什里夫波特分校病理学系的Wayne Orr博士慷慨提供,并在路易斯安那州立大学健康科学中心-新奥尔良分校药理学系Becky Worthylake博士的实验室中进行了扩增。本研究工作得到了美国国立卫生研究院(P20 RR-018766)和美国心脏协会(05835386N)资助项目的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1. Ringer 5x 储备液 | |||
| 氯化钠 | EMD Millipore | SX0420-3 | 35 g |
| 氯化钾 | JT Baker | 3040 | 1.75 g |
| 氯化钙 | Sigma-Aldrich | C-3881 | 1.47 g |
| 硫酸镁 | Sigma-Aldrich | M-9397 | 1.44 g |
| 无菌过滤水 | N/A | N/A | 加至 1 L |
| 经无菌过滤后分装至已灭菌的瓶中,于 4°C 保存 | |||
| 2. MOPS 缓冲液 | |||
| MOPS | Sigma-Aldrich | M3183 | 125.6 g |
| 无菌过滤水 | N/A | N/A | 加至 1 L |
| 经无菌过滤后分装至已灭菌的瓶中,于 4°C 保存 | |||
| 3. 白蛋白生理盐溶液(APSS) | |||
| Ringer 储备液(5x) | N/A | N/A | 200 mL |
| MOPS 缓冲液 | N/A | N/A | 5 mL |
| 磷酸钠 | Sigma-Aldrich | S-9638 | 0.168 g |
| 丙酮酸钠 | Sigma-Aldrich | P5280 | 0.22 g |
| EDTA 钠盐 | Sigma-Aldrich | ED2SS | 0.0074 g |
| 葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G7528 | 0.901 g |
| 牛血清白蛋白 | USB Corp., Affymetrix | 10856 | 10 g |
| 无菌过滤水 | N/A | N/A | 加至 1 L |
| 在 37°C 下调节 pH 至 7.4,然后经无菌过滤后分装至已灭菌的瓶中,于 4°C 保存。 | |||
| 4. 0.9% 生理盐水 | |||
| 氯化钠 | EMD Millipore | SX0420-3 | 9 g |
| 无菌过滤水 | N/A | N/A | 加至 1 L |
| 经无菌过滤后分装至已灭菌的瓶中,于 4°C 保存 | |||
| 5. 1.5% 明胶溶液 | |||
| 猪皮来源明胶 | Sigma-Aldrich | G2500 | 15 g |
| 0.9% 生理盐水 | N/A | N/A | 加至 1 L |
| 将溶液加热至 37°C 以充分溶解明胶。保持温热状态下经无菌过滤后分装至已灭菌的瓶中,于 4°C 保存 | |||
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