我们介绍一种新型聚丙烯酰胺水凝胶,称为羟基-PAAm,可实现细胞外基质蛋白的直接结合,且成本低廉、操作简便。将羟基-PAAm水凝胶与微接触印刷技术结合,可独立调控天然细胞微环境中的多种信号,从而用于研究细胞力学转导。
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我们介绍一种新型聚丙烯酰胺水凝胶,称为羟基-PAAm,可实现细胞外基质蛋白的直接结合,且成本低廉、操作简便。将羟基-PAAm水凝胶与微接触印刷技术结合,可独立调控天然细胞微环境中的多种信号,从而用于研究细胞力学转导。
目前已有充分证据表明,许多细胞功能受到细胞与其细胞外基质(ECM)环境的理化和力学信号相互作用的调控。真核细胞通过细胞表面的机械感受器持续感知其局部微环境,将ECM的物理变化转化为生化信号,并整合这些信号以实现特定的基因表达改变。有趣的是,ECM的理化参数与力学参数可相互耦合,共同调控细胞命运。因此,理解机械转导机制的关键在于解析ECM信号对细胞功能的相对贡献,即实现各种ECM线索的解耦。
本文介绍了一种详细的实验方案,可快速、简便地制备具有生物学相关性的水凝胶,用于独立调控机械转导信号 体外我们通过在聚合过程中引入带有羟基官能团的丙烯酰胺单体,对聚丙烯酰胺水凝胶(PAAm)进行化学修饰,从而克服其固有的非黏附性。由此获得了一种新型PAAm水凝胶,称为羟基化-PAAm(hydroxy-PAAm),可实现任意所需类型细胞外基质(ECM)蛋白的固定化。将羟基化-PAAm水凝胶与微接触印刷技术相结合,能够独立调控单细胞形态、基质刚度、ECM蛋白的种类及其密度。我们提供了一种简单且快速的方法,可在任何生物学实验室中建立,用于研究 体外 细胞机械转导过程。我们通过在内皮细胞上进行实验,验证了这一新型二维平台,实验结果证明了细胞外基质刚度与细胞核之间存在机械耦合。
局部细胞微环境的诸多方面(例如,刚度、孔径大小、蛋白质性质或细胞-配体密度)提供了一组协调的调控信号,控制细胞运动、增殖、分化和基因表达等细胞过程。细胞可感知细胞外环境理化性质的改变,并引发不同的生理后果,包括细胞极性变形、迁移和分化。然而,目前尚不清楚细胞如何将细胞外基质(ECM)的改变转化为细胞内的生化信号。因此,构建可控的 体外 能够重现细胞与其微环境之间相互作用的微环境,用于研究机械转导通路。为解决这一问题,我们近期提出了一种新方法1称为羟基-PAAm水凝胶,可轻松制备二维软基质,从而独立调控重要的机械转导信号:基质刚度、细胞形态与限域性、蛋白质种类以及细胞配体密度。
细胞外基质(ECM)通过形态发生素梯度(化学趋向性)、黏附蛋白梯度(黏附趋向性)以及刚度梯度(硬度趋向性)来调控细胞的各种生物学过程。在过去的几十年中,研究人员开发了多种先进的体外(in vitro)研究平台,用以分离这些细胞外信号,从而解析细胞如何将生化和生物物理特征转化为生理活动2-5。人们已开发出电子束光刻6、光刻技术7、光化学固定化8以及等离子体辅助技术9,以引导活细胞在微图案化基底上的生长。尽管这些技术已取得重要成果,但其中大多数方法难以区分不同信号对细胞行为的独立影响,且需要昂贵的技术设备,仅有少数实验室能够负担。在这些技术中,微接触印刷(microcontact printing, µCP)作为一种稳健且易于实施的方法脱颖而出,可用于构建细胞黏附性微岛结构10。近年来,大量研究工作11-14致力于将µCP技术应用于刚度可调的水凝胶上,以模拟活体组织中广泛存在的不同刚度环境。在这些研究中,聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PAAm)因其优势而受到广泛关注15,现已成为细胞生物力学实验中最常用的基于聚合物的基质材料之一。
聚丙烯酰胺(PAAm)表面通常使用异双功能交联剂N-磺基琥珀酰亚胺-6-[4'-叠氮-2'-硝基苯胺基](sulfo-SANPAH)进行功能化,细胞外基质(ECM)蛋白通过紫外光激活sulfo-SANPAH中的硝基苯基叠氮基团而连接到表面16。另一种技术是将肼与经高碘酸盐严重氧化的蛋白质偶联17。Hynd及其同事提出了一种在仿生水凝胶表面图案化蛋白质和多肽的技术,该技术需要在丙烯酰基链霉亲和素单体存在下进行光聚合18。最近,Tseng 等报道了一种新的微图案化方法19,该方法通过光学石英掩模对PAAm进行深紫外照射,并在添加蛋白质前,需将活化的聚丙烯酸(PA)凝胶与1-乙基-3-[3-二甲基氨基丙基]碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)水溶液孵育。尽管这些技术能够生成均一且可重复的蛋白质微图案,但大多数方法存在显著局限性:合成过程耗时较长(例如,透析、冷冻干燥等)、化学试剂成本高昂(例如,透明质酸、sulfo-SANPAH)或需要深紫外辐照。此外,这些技术无法独立调控基底刚度、微图案几何形状、ECM蛋白种类以及细胞配体密度。
考虑到这些局限性,我们开发了一种新型且简单的基于丙烯酰胺的方法,可实现多种蛋白质和生物分子在软性水凝胶上的固定,同时允许独立调控机械转导信号,以解析其在细胞功能中的作用。该方法在丙烯酰胺(PAAm)聚合过程中引入一种带有羟基的商用丙烯酰胺单体,避免了使用强腐蚀性化学试剂处理PAAm水凝胶。这一简单操作无需其他技术条件,即可克服PAAm水凝胶固有的抗粘附特性。
羟基的存在使得羟基化聚丙烯酰胺(hydroxy-PAAm)水凝胶对能够形成氢键相互作用的蛋白质和生物分子具有高亲和性。结合微接触印刷技术(µCP),羟基化聚丙烯酰胺水凝胶可快速构建二维细胞培养平台,实现对基质刚性、细胞外基质(ECM)蛋白类型、细胞配体密度以及黏附局限性的独立调控,该平台有望成为研究力传导机制的有力工具。
本实验方案的目的是提供必要的信息,使研究人员无需材料科学领域的专业知识也能轻松制备羟基-PAAm水凝胶。最终目标是为科研人员提供一种手段,以在细胞和组织水平上提出具有生理相关性的问题,从而增进对参与病理生理机制的机械转导通路的理解。
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1. 活化玻璃盖玻片表面
2. 羟基-PAAm 水凝胶的制备
3. 聚二甲基硅氧烷(PDMS)微模板的制备
注意:在开始 PDMS 微模版的制备之前,需要先制备硅胶母版。硅胶母版的微加工可通过光刻技术完成,但该技术需要专用设备和专业培训。建议与纳米加工平台合作制备硅胶母版。或者,可联系可根据需求定制微结构硅胶母版的公司。需要注意的是,硅胶母版只需制备一次即可,因为微结构硅胶母版可无限次用于制备弹性印章。
4. 羟基-PAAm水凝胶的微图形化
5. 细胞在微图案化羟基-PAAm水凝胶上的沉积
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图1A 展示了丙烯酰胺(AAm)和双丙烯酰胺(bis-AAm)与含有伯羟基的N-羟乙基丙烯酰胺(HEA)单体通过随机自由基共聚反应,形成带有嵌入式羟基的亲水性聚丙烯酰胺网络(羟基化PAAm)。在本实验方案中,需将65 mg的HEA溶解于1 ml HEPES缓冲液中。由于HEA的密度约为1,我们假设最终工作体积为1,065 µl(HEA + HEPES)。如表1所示,将1,065 µl的上述溶液加入400 µl AAm和50 µl bisAAm中,总体积为1,515 µl。因此,需加入3,485 µl的HEPES缓冲液,以将溶液总体积调节至5 ml。如步骤2.6所述,22 mm玻璃盖玻片表面需在紫外/臭氧(UV/Ozone)中活化7分钟,以便在不损伤水凝胶表面的前提下将其去除。事实上,经过UV/Ozone处理后,玻璃表面亲水性增强,因此可通过将整个体系浸入水中实现轻松分离。此外,UV/Ozone处理还可防止与水凝胶表面直接接触的22 mm盖玻片发生化学污染。该技术可获得固定于25 mm直径玻璃盖玻片上的平整圆形聚丙烯酰胺表面(直径22 mm)。
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现代细胞生物学中的许多体外(in vitro)观察实验通常是在刚性玻璃盖玻片上进行的,这些盖玻片通常涂有一层含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)序列的细胞外基质(ECM)蛋白或合成肽。然而,这类基本培养基质无法重现ECM完整的理化复杂性,因此不能为研究细胞力学转导过程提供准确的模型。为解决这一问题,我们提出一种简单的方法,可在二维水凝胶上以任意数量和种类固定ECM蛋白。该方法可独立调控影响力学转导的关键因素,例如基质刚度、细胞形态与空间限制,以及细胞-配体密度。此外,羟基化聚丙烯酰胺(hydroxy-PAAm)水凝胶克服了现有功能化方法的一个主要局限,即难以固定并控制多种ECM蛋白的空间分布。由于hydroxy-PAAm水凝胶对生物分子具有高亲和力,因此可通过连续微图案化技术,在同一表面上精确调控多种ECM蛋白的空间分布,且该过程不受基质刚度影响,也无需额外设备。
我们提出一种基于在丙烯酰胺水凝胶中引入羟基的新方法,以克服其固有的非黏附特性,同时对成本和专业技术要求极低。与现有的在水凝胶上进行蛋白图案化技术相比,羟基化聚丙烯酰胺(hydroxy-PAAm)方法避...
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未声明任何利益冲突。
本工作由比利时国家科学研究中心(F.R.S.-FNRS)通过“MIS 共聚焦显微镜”项目、“研究人员启动基金”(Crédit aux Chercheurs)以及“纳米运动性 FRFC 项目”(编号:2.4622.11)提供资助。T.G. 的博士研究生奖学金由农业与工业研究培训基金会(FRIA)支持。作者衷心感谢 Sylvain Desprez 在力学表征方面的贡献,以及 Géraldine Circelli 在共聚焦成像方面的协助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 紫外/臭氧光反应器 | Ultra-Violet Products | 型号 PR-100 | |
| 摇床 | IKAcWerke | 型号 KS 130 Basic | |
| 涡旋振荡器 | Scientific Industries | 型号 Vortex Genie2 | |
| 真空脱气室 | Applied Vacuum Engineering | DP- 8-KIT | |
| Parafilm 封口膜 | Sigma-Aldrich | P7793-1EA | |
| 细尖不锈钢镊子 | Sigma-Aldrich | Z225304-1EA | |
| 敷料组织镊 | Sigma-Aldrich | F4392-1EA | |
| 聚苯乙烯培养皿 | Sigma-Aldrich | P5731-500EA | |
| 铝箔,厚度 0.5 mm | Sigma-Aldrich | 266574-3.4G | |
| Isopore 膜滤器(孔径 0.2 µm) | Millipore | GTTP 滤器编号 | |
| 圆形玻璃盖玻片(直径 22 mm) | Neuvitro | GG-22 | |
| 圆形玻璃盖玻片(直径 25 mm) | Neuvitro | GG-25 | |
| 可调体积微量移液器 | Sigma-Aldrich | Z114820 | |
| 蛋白微量离心管 | Sigma-Aldrich | Z666505-100EA | |
| 手术刀柄 | Sigma-Aldrich | S2896-1EA | |
| 手术刀片 | Sigma-Aldrich | S2771-100EA | |
| 细胞培养瓶(75 cm2) | Sigma-Aldrich | CLS430641 | |
| 超声波清洗槽,实心(不锈钢) | Sigma-Aldrich | Z613983-1EA | |
| 聚二甲基硅氧烷 | Dow Corning | Sylgard 184 硅橡胶弹性体试剂盒 | |
| 丙烯酰胺(粉末) | Sigma-Aldrich | A3553 | |
| N,N’-亚甲基双丙烯酰胺 | Sigma-Aldrich | 146072 | |
| N-羟乙基丙烯酰胺 | Sigma-Aldrich | 697931 | |
| N,N,N’,N’-四甲基乙二胺 | Sigma-Aldrich | T9281 | |
| 过硫酸铵(APS) | Sigma-Aldrich | A3678 | |
| 3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯 | Sigma-Aldrich | 1805 | |
| 人血浆纤连蛋白 | Millipore | FC010 | |
| 来自 EHS 的层粘连蛋白 | Sigma-Aldrich | L2020 | |
| 氢氧化钠 | Sigma-Aldrich | 221465-25G | |
| 双蒸水(ddH2O) | |||
| 内皮细胞生长培养基 | Cells Applications | 211K-500 | |
| 人脐静脉内皮细胞(HUVEC) | Invitrogen | C-003-5C | |
| Accutase | PAA laboratories | L11-007 | |
| HEPES 缓冲液,1 M 水溶液(H2O) | Sigma-Aldrich | 83264-500ML-F | |
| 抗生素-抗真菌剂 | PAA laboratories | P11-002 | |
| 磷酸盐缓冲液 | PAA laboratories | H15-002 | |
| Alexa Fluor 488 标记鬼笔环肽 | Molecular Probes | A12379 | |
| 小鼠来源的抗连环蛋白抗体 | Sigma-Aldrich | V9131 | |
| 山羊抗小鼠抗体-四甲基罗丹明 | Molecular Probes | T-2762 | |
| 抗纤连蛋白抗体(兔源) | Sigma-Aldrich | F3648 | |
| 链霉亲和素 | Sigma-Aldrich | 41469 | |
| 抗层粘连蛋白抗体(兔源) | Sigma-Aldrich | L9393 | |
| 抗兔 IgG-FITC | Sigma-Aldrich | F7512 | |
| 胰蛋白酶-EDTA 溶液 | Sigma-Aldrich | T3924-100ML | |
| 无水乙醇 | Sigma-Aldrich | 459844-2.5L |
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