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方法文章

用于解耦机械转导信号影响的羟基-PAAm水凝胶的制备

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DOI:

10.3791/51010

2014年8月28日

本文内容

摘要

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。

摘要

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。

引言

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 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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方案

1. 活化玻璃盖玻片表面

  1. 将玻璃圆形盖玻片(直径 25 mm)放入培养皿中,并涂抹 0.1 M NaOH 溶液处理 5 分钟 (建议在化学通风橱中操作)。
  2. 去除 NaOH 溶液,加入无菌 ddH2O 完全浸没盖玻片,在无菌培养罩内轻轻振荡孵育 20 分钟 。
  3. 倒掉无菌 ddH2O,并重复步骤 1.2。
  4. 用无菌镊子取出盖玻片,转移至新的培养皿中,确保活化面朝上放置。
  5. 用高纯度氮气持续吹扫,干燥盖玻片。
  6. 在无菌培养罩内,将一层薄薄的 3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯(92%)均匀涂抹于盖玻片的活化表面,反应 1 小时。
  7. 用无菌 ddH2O 对玻璃盖玻片进行充分洗涤,共洗涤 3 次,然后将其浸入新培养皿的无菌 ddH2O 中。
  8. 用 Parafilm 封住培养皿,置于摇床上轻柔振荡 10 分钟。
  9. 用尖头无菌镊子从 ddH2O 中取出盖玻片,转移至新的培养皿中,确保活化面朝上。
  10. 在室温下干燥避尘处保存,并用铝箔包裹以防止灰尘附着。

2. 羟基-PAAm 水凝胶的制备

  1. 在1.5 ml 离心管中称取65 mg的N-羟乙基丙烯酰胺(HEA)。必须现配新鲜的HEA溶液。
  2. 向HEA中加入1 ml 50 mM HEPES缓冲液,使用涡旋振荡器混合,直至HEA完全溶解。
  3. 加入400 µl 40% w/w的丙烯酰胺HEPES溶液,以及所需体积的2% w/w的HEPES双丙烯酰胺溶液(见表1),以达到目标水凝胶刚度。用50 mM HEPES缓冲液定容至终体积5 ml。
  4. 使用涡旋振荡器混匀溶液,并在真空腔中脱气20 min ,以降低溶液中的氧气浓度,防止羟基化聚丙烯酰胺(hydroxy-PAAm)发生聚合。
  5. 在无菌操作台中,使用孔径为0.2 µm的滤器对脱气后的溶液进行过滤,以实现无菌处理。
  6. 将圆形玻璃盖玻片(直径22 mm)置于紫外/臭氧清洗仪中活化7 min。
  7. 配制100 µl 10%过硫酸铵(APS)溶液,即10 mg APS溶于100 µl ddH2O中。必须现配新鲜的APS溶液。
  8. 向已灭菌的羟基化聚丙烯酰胺(hydroxy-PAAm)溶液(步骤2.5)中加入2.5 µl 四甲基乙二胺(TEMED)和25 µl APS溶液,以启动聚合反应。在无菌条件下,通过连续三次移液操作混匀溶液,避免引入气泡。
  9. 在无菌操作台中,取25 µl 羟基化聚丙烯酰胺(hydroxy-PAAm)溶液滴加于25 mm盖玻片(来自步骤1.9)上,立即在其上放置已准备好的22 mm玻璃盖玻片(步骤2.6制备),轻压使溶液铺展。使用无菌镊子将22 mm玻璃盖玻片居中,并排除所有气泡。
  10. 在室温下静置15 min,使羟基化聚丙烯酰胺(hydroxy-PAAm)水凝胶完成聚合。手动倒置离心管中剩余的hydroxy-PAAm溶液,以观察聚合进程是否完成。
  11. 将带有水凝胶的盖玻片完全浸入无菌ddH2O中,用刀片边缘小心插入22 mm玻璃盖玻片与羟基化聚丙烯酰胺(hydroxy-PAAm)水凝胶层之间,轻轻分离盖玻片。
  12. 用无菌PBS洗涤羟基化聚丙烯酰胺(hydroxy-PAAm)水凝胶(共更换PBS三次),并将凝胶保持完全浸没在无菌PBS中以维持水合状态。
  13. 将羟基化聚丙烯酰胺(hydroxy-PAAm)水凝胶置于4 °C的无菌PBS中保存,最多可保存3天。

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。

  1. 在塑料烧杯中按10:1的比例混合PDMS和固化剂,使用移液管充分搅拌10分钟。
  2. 将PDMS混合物置于真空环境中脱气,以去除步骤3.1中产生的气泡。
  3. 将微结构硅模板放入培养皿中,并在其表面浇铸一层10 mm厚的脱气PDMS混合物,确保不产生气泡。
  4. 在60 °C的烘箱中使PDMS固化2小时。
  5. 在无尘环境中,用手术刀将PDMS层剥离,并切割出1 cm2的微图案印章。
  6. 使用镊子将PDMS微图案印章图案面朝上放置于培养皿中。

4. 羟基-PAAm水凝胶的微图形化

  1. 将PDMS微图案印章置于乙醇/水(50/50)溶液中,超声处理15分钟。
  2. 用氮气流吹干印模,并将图案面朝上放入紫外/臭氧清洗仪(λ < 200 nm)下孵育 7 分钟。
  3. 在无菌操作台中,放置一个150-µl 目标蛋白溶液的一滴(例如,100 µg/ml PBS 或 25 µg/ml 的层粘连蛋白 PBS中的纤连蛋白)滴加到1厘米微结构表面2 PDMS印章
  4. 可选:调整蛋白溶液的浓度以调节细胞-配体密度。
  5. 用移液枪的无菌枪头将蛋白溶液从印模中心向各个角落移动,使其均匀覆盖整个印模表面。
  6. 让蛋白质溶液在PDMS印章上吸附60分钟 在无菌操作台内进行操作。关闭灯光以避免蛋白质损伤。
  7. 在无菌操作台中,将羟基-PAAm包被的盖玻片(来自步骤2.13)转移至培养皿中。
  8. 在无菌条件下,用低氮气流吹去羟基化聚丙烯酰胺基底表面多余的 PBS。一旦观察到凝胶表面无残留水分,立即停止操作。此步骤中不应将凝胶完全干燥。
  9. 用高纯度氮气稳定气流小心吹干PDMS印章的结构化表面。
  10. 用无菌敷料镊夹住包被有蛋白的印模,将印模的结构面与干燥的水凝胶表面接触。用镊子尖端在PDMS印模顶部施加短暂的点状压力,以确保印模的微结构与水凝胶表面充分接触。
  11. 在室温下将PDMS印章置于水凝胶表面1小时。
  12. 用敷料镊子轻轻将PDMS印章从羟基-PAAm水凝胶上取下,并按照步骤4.1清洁印章。
  13. 在无菌条件下,用磷酸盐缓冲液(PBS,pH = 7.4)分三次、每次10分钟充分洗涤 stamped 羟基化聚丙烯酰胺水凝胶 每次交换
  14. 可选:可通过执行步骤 4.5 至 4.11,在羟基-PAAm 表面添加其他细胞外基质蛋白的微图案。
  15. 用5 mg/ml的无菌BSA溶液对非打印区域进行封闭 在4 °C下,于摇板上轻轻振荡过夜。
  16. 在无菌条件下,用 PBS(pH = 7.4)洗涤 3 次,每次 10 分钟 每次更换后, stamped 羟基-PAAm 水凝胶可在 4 °C 下保存长达一周。

5. 细胞在微图案化羟基-PAAm水凝胶上的沉积

  1. 在接种细胞前,将盖玻片置于细胞培养基中孵育 30–45 分钟。
  2. 用 37 °C 的无菌 PBS 洗涤在 75 cm2 培养瓶中培养的贴壁细胞,并加入 3 ml 胰蛋白酶-EDTA 或 accutase,作用 10 分钟以消化细胞。
  3. 将适量预热的、适用于您所用细胞系的完全培养基加入含有已脱落细胞的培养瓶中,然后将细胞悬液在 650 × g 条件下离心 3 分钟 。
  4. 用移液器吸除上清液,并将细胞重悬于完全培养基中,浓度为 15,000–20,000 个细胞/ml。
  5. 取 4 ml 细胞悬液加入微图案化盖玻片(来自步骤 5.1)中,并将接种了细胞的盖玻片置于 37 °C、5% 湿度的培养箱中孵育 1–2 小时。
  6. 轻轻吸除未贴壁的细胞,更换培养基,将已贴壁的细胞重新放回培养箱,使其充分铺展(3–6 小时,具体时间取决于细胞类型)。

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结果

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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讨论

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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披露

未声明任何利益冲突。

致谢

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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材料

本文使用的材料清单
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 EngineeringDP- 8-KIT
Parafilm 封口膜Sigma-AldrichP7793-1EA
细尖不锈钢镊子Sigma-AldrichZ225304-1EA
敷料组织镊Sigma-AldrichF4392-1EA
聚苯乙烯培养皿Sigma-AldrichP5731-500EA
铝箔,厚度 0.5 mmSigma-Aldrich266574-3.4G
Isopore 膜滤器(孔径 0.2 µm)MilliporeGTTP 滤器编号
圆形玻璃盖玻片(直径 22 mm)NeuvitroGG-22
圆形玻璃盖玻片(直径 25 mm)NeuvitroGG-25
可调体积微量移液器Sigma-AldrichZ114820
蛋白微量离心管Sigma-AldrichZ666505-100EA
手术刀柄Sigma-AldrichS2896-1EA
手术刀片Sigma-AldrichS2771-100EA
细胞培养瓶(75 cm2Sigma-AldrichCLS430641
超声波清洗槽,实心(不锈钢)Sigma-AldrichZ613983-1EA
聚二甲基硅氧烷 Dow CorningSylgard 184 硅橡胶弹性体试剂盒
丙烯酰胺(粉末)Sigma-AldrichA3553
N,N’-亚甲基双丙烯酰胺Sigma-Aldrich146072
N-羟乙基丙烯酰胺Sigma-Aldrich697931
N,N,N’,N’-四甲基乙二胺Sigma-AldrichT9281
过硫酸铵(APS)Sigma-AldrichA3678
3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯Sigma-Aldrich1805
人血浆纤连蛋白MilliporeFC010
来自 EHS 的层粘连蛋白Sigma-AldrichL2020
氢氧化钠Sigma-Aldrich221465-25G
双蒸水(ddH2O)
内皮细胞生长培养基Cells Applications211K-500
人脐静脉内皮细胞(HUVEC)InvitrogenC-003-5C
AccutasePAA laboratoriesL11-007
HEPES 缓冲液,1 M 水溶液(H2O)Sigma-Aldrich83264-500ML-F
抗生素-抗真菌剂PAA laboratoriesP11-002
磷酸盐缓冲液PAA laboratoriesH15-002
Alexa Fluor 488 标记鬼笔环肽Molecular ProbesA12379
小鼠来源的抗连环蛋白抗体Sigma-AldrichV9131
山羊抗小鼠抗体-四甲基罗丹明Molecular ProbesT-2762
抗纤连蛋白抗体(兔源)Sigma-AldrichF3648
链霉亲和素 Sigma-Aldrich41469
抗层粘连蛋白抗体(兔源)Sigma-AldrichL9393
抗兔 IgG-FITCSigma-AldrichF7512
胰蛋白酶-EDTA 溶液Sigma-AldrichT3924-100ML
无水乙醇Sigma-Aldrich459844-2.5L

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