我们提出了一种用于免疫学研究的原子力显微镜(AFM)悬臂梁功能化方案,可在其上固定单个T细胞和微粒。本文展示了利用AFM探测单对T细胞-树突状细胞结合的步骤,以及结合荧光成像技术,利用AFM实时监测巨噬细胞对单个固体微粒的细胞反应的方法。
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我们提出了一种用于免疫学研究的原子力显微镜(AFM)悬臂梁功能化方案,可在其上固定单个T细胞和微粒。本文展示了利用AFM探测单对T细胞-树突状细胞结合的步骤,以及结合荧光成像技术,利用AFM实时监测巨噬细胞对单个固体微粒的细胞反应的方法。
基于原子力显微镜的单细胞力谱技术(AFM-SCFS)是研究活细胞生物物理特性的有力工具。该技术可用于探测活细胞膜上的相互作用强度与动态过程,包括细胞间的相互作用、受体与配体之间的结合,以及其他多种情况。此外,该技术还可作为一种机制,以时空可控的方式对单个细胞施加物理或生化刺激,从而在与活细胞荧光成像结合时,实现实时监测特定细胞的激活及其后续的细胞事件。此类AFM-SCFS测量的关键步骤是原子力显微镜悬臂梁的功能化,即以某种方式将待研究对象固定在悬臂梁上。本文介绍了分别将单个T细胞和单个聚苯乙烯微球修饰到原子力显微镜悬臂梁上的方法,用于免疫学研究。前者采用一种生物相容性胶体,在溶液环境中将单个T细胞偶联至平头悬臂梁的尖端;后者则依赖环氧胶在空气环境中实现单个微球的粘附。本文还提供了与每种悬臂梁修饰方法相关的两项免疫学应用实例。此处描述的方法可轻松适用于不同类型的细胞和固体颗粒。
原子力显微镜(AFM)作为一种多功能工具,已在细胞生物学研究中得到广泛应用1,2,3,4,5。除了具备高分辨率成像能力外,其固有的力探测功能还可在单细胞水平上直接原位研究活细胞的生物物理特性6,7,包括亚细胞结构甚至整个细胞的刚度8,9,10,11,12、细胞表面单分子水平上的特异性配体/受体结合强度13,以及单个颗粒与细胞之间或两个细胞之间的黏附力1,2,14,15。后两者通常被归类为单细胞力谱技术(SCFS)16。由于可方便获得具有不同弹簧常数的微悬臂梁,AFM 可测的力范围相当宽,从几皮牛顿(pN)到微牛顿(µN),足以覆盖从几十皮牛顿(如受体介导的单分子结合)到纳牛顿(如吞噬性细胞事件)等各类细胞力学过程所涉及的力范围15。这一宽广的动态力范围使 AFM 相较于其他力探测技术(如光镊/磁镊和生物膜力探针)更具优势,因为后者更适用于弱力测量,通常测量力小于 200 pN17,18。此外,AFM 还可作为高精度操纵器,以时空可控的方式向单个细胞施加多种刺激4,19,这对于实时单细胞激活研究非常有利。结合活细胞荧光成像技术,可以同时监测细胞对特定刺激的响应,从而使基于 AFM 的 SCFS 与光学成像相结合,成为研究细胞信号转导的实用而强大的工具。例如,已有研究利用 AFM 确定引发成骨细胞钙瞬变所需的应变程度20,该研究中,在使用 AFM 探针对培养的成骨细胞施加局部力后,通过钙离子比率荧光成像技术追踪钙瞬变。最近,AFM 还被用于拉伸培养肝星状细胞(HSC)的胶原原纤维,并通过荧光 Src 生物传感器实时监测这种力学转导引起的 HSC 激活过程;该生物传感器的磷酸化水平由其荧光强度表示,且与 HSC 的激活状态相关3。
在基于原子力显微镜的单细胞力谱(AFM-SCFS)实验中,AFM悬臂梁的适当功能化是实现成功测量的关键步骤。由于我们的研究重点在于免疫细胞的活化,我们通常将可引发吞噬作用和/或强烈免疫反应的颗粒物质4,14,15,以及能够与抗原呈递细胞(如活化的树突状细胞(DC))形成免疫突触的单个T细胞2,固定在悬臂梁上。单个固体颗粒通常通过环氧胶在空气中与悬臂梁连接,而由于T细胞本身不具备黏附性,因此需在溶液中利用生物相容性胶将单个T细胞固定于悬臂梁上。本文描述了上述两种悬臂梁修饰方法,并提供了两个相关应用实例。第一个应用是利用AFM-SCFS探测T细胞与DC之间的相互作用,从细胞力学角度理解调节性T细胞的抑制机制。第二个应用是将AFM与活细胞荧光成像相结合,实时监测巨噬细胞对固体颗粒的细胞反应,以揭示受体非依赖性的磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)-Moesin介导的吞噬作用的分子机制。本实验方案旨在为有志于开展基于AFM的单细胞分析用于免疫学研究的科研人员提供一个参考框架。
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小鼠实验方案遵循清华大学的动物护理指南
1. 使用单个T细胞对悬臂梁进行功能化修饰

图1:将少量生物相容性胶水滴加到固定悬臂梁上的示意图。 悬臂梁通过夹紧弹簧固定在安装于原子力显微镜(AFM)扫描头上的玻璃块支架上(本图未绘制扫描头)。当扫描头置于水平表面时,悬臂梁呈垂直方向,如图所示。使用微量移液器可在悬臂梁尖端加入约 2 µL 的生物相容性胶水。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:单个T细胞与DC之间力学探测的实验配置。(A)实验配置示意图,其中附着在悬臂梁上的T细胞被移向生长在基底上的DC,以进行力学探测。(B)功能化了T细胞的悬臂梁与DC的明场图像。比例尺,20 µm。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 使用单个聚苯乙烯微球对悬臂梁进行功能化修饰

图3:悬臂梁上单个微珠功能化的流程示意图。 在基底左侧制备分散良好的微米级微珠,通过三次轻柔接触将微量环氧胶转移至基底右侧,形成三个胶点。仅使用最后一次接触形成的、胶量最少的胶点(以圆圈标示)来涂覆悬臂梁的最末端。从左侧将悬臂梁接近胶点,浸入胶中后向后移动悬臂梁,使胶液局限于悬臂梁末端。将目标微珠移至悬臂梁下方并进行精确对准,随后施加牢固接触(通常为2–5 nN),实现微珠的粘附。当微珠成功固定于悬臂梁上后,可安装新的悬臂梁以开始下一轮功能化循环。请点击此处查看该图的放大版本。
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图4A 显示了一个T细胞与一个树突状细胞(DC)在一次接近-回撤循环中结合相互作用的典型力-距离曲线。浅红色曲线为延伸曲线,深红色曲线为回撤曲线。由于延伸曲线通常用于压痕或刚度分析,此处仅关注回撤曲线以研究细胞黏附。曲线中的最小值(绿色圆圈)反映了最大黏附力的大小。曲线下的面积(阴影区域)表示将T细胞从DC上分离所需的功(能量)。在完全分离之前,常可观察到尖锐且呈阶梯状的断裂事件。这被解释为由于细胞-细胞界面处的强结合,在持续拉力作用下,细胞膜表面被拉出膜纳米管(membrane tethers),随后在拉力下离散断裂所致。这些阶梯的数量、高度和长度可用于表征细胞膜的力学特性21。对于T细胞-DC相互作用,我们关注的是结合强度,因此仅对每条曲线的最大黏附力进行分析。图4B 比较了传统T细胞(Tconv)/DC与调节性T细胞(Treg)/DC之间的黏附力。Tconv可识别由抗原呈递细胞(如DC)呈递的肽类抗原...
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基于原子力显微镜的单细胞力谱技术已发展成为研究活细胞生物物理特性的有力工具。在这些应用中,需对悬臂梁进行适当的修饰,以探测目标细胞上的特定相互作用或特性。本文分别描述了将单个T细胞和单个微米级小球连接至无针尖悬臂梁的方法。为将单个T细胞固定在悬臂梁上,选用一种生物相容性胶体作为细胞黏附剂。该胶体是一种从海洋贻贝中提取的特制蛋白质溶液,其黏附性来源于多酚类残基,这些残基上的羟基可非特异性地与细胞表面暴露的残基形成氢键。这种结合方式通常不会干扰被结合细胞的正常细胞功能。为了实现良好的黏附效果,待固定细胞的状态也至关重要。以新纯化的鼠源CD4+ T细胞为例,必须先用重组人IL-2处理过夜,方可用于悬臂梁的功能化修饰;否则,细胞会迅速发生死亡。若细胞状态不佳,即使能够成功附着于悬臂梁,在经历数次力探测循环后也极可能因黏附强度较弱而脱落,导致力测量实验失败率升高。这种生物相容性胶体的缺点是易发生氧化,因此偶联操作应尽快完成,这对操作者而言有时具有挑战性。为减少该胶体的氧化,强烈建议将30 µL分装液置于充满N₂的冷冻管中保存2 来自N₂储备液的气体2 空气环境并储存在液氮中2 以获...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到国家自然科学基金面上项目(31370878)、重点项目(31630023)和创新研究群体项目(81621002)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 材料 | |||
| 10 μl 移液器吸头 | Thermo Fisher | 104-Q | |
| 15 ml 离心管 | Corning | 430791 | |
| 6 cm 直径培养皿 | NALGENE nunc | 150462 | |
| 6 孔培养板 | JET | TCP011006 | |
| AFM 悬臂梁 | NanoWorld | Arrow-TL1-50 | 无针尖悬臂梁 |
| β-巯基乙醇 | Sigma | 7604 | |
| 生物相容性胶水 | BD Cell-Tak | 354240 | |
| CD4+ T 细胞分离试剂盒 | STEMCELL | 19852C.1 | |
| DC2.4 细胞系 | 由 K. Rock(美国马萨诸塞大学医学院,伍斯特,MA)惠赠 | ||
| 葡聚糖包被磁性颗粒 | STEMCELL | SV30010 | |
| EDTA | GENEray | Generay-E1101-500 ml | |
| 环氧树脂 | ERGO | 7100 | |
| 乙醇 | twbio | 00019 | |
| FBS | Ex Cell Bio | FSP500 | |
| FcR 阻断剂 | STEMCELL | 18731 | |
| 玻璃盖玻片 | 本地供应商(海门联升) | HX-E37 | 直径 24 mm,厚度 0.17 mm |
| 载玻片 | 海门金通实验室与设备管理科 | N/A | 定制 |
| H2O2 (30%) | 国药集团 | 10011218 | |
| H2SO4 | 国药集团 | 80120892 | |
| HEPES | Sigma | 51558 | |
| 磁铁 | STEMCELL | 18000 | |
| 尼龙网筛 | BD Falcon | REF 352350 | |
| Moesin-EGFP | N/A | 实验室克隆 | |
| 小鼠 CD25 Treg 细胞阳性分离试剂盒 | STEMCELL | 18782 | 组分:FcR 阻断剂、调节性 T 细胞阳性选择试剂、PE 选择试剂、Dextran RapidSpheres |
| 小鼠 CD4+ T 细胞分离试剂盒 | STEMCELL | 19852 | 组分:CD4+ T 细胞分离试剂、链霉亲和素 RapidSpheres、大鼠血清 |
| NaOH | 北京兰谊化学产品有限公司 | 1310-73-2 | |
| PBS | Solarbio | P1022-500 | |
| PE 选择试剂 | STEMCELL | 18151 | |
| 青霉素-链霉素 | Hyclone | SV30010 | |
| PLCδ-PH-mCherry | Addgene | 36075 | |
| 聚苯乙烯微球 6.0μm | Polysciences | 07312-5 | |
| 聚苯乙烯圆底管 | BD Falcon | 352054 | |
| 大鼠血清 | STEMCELL | 13551 | |
| RAW264.7 | ATCC | ||
| 重组人白细胞介素-2 | Peprotech | Peprotech, 200-02-1000 | |
| 红细胞裂解缓冲液 | 碧云天 | C3702 | |
| 调节性 T 细胞阳性选择试剂 | STEMCELL | 18782C | |
| RPMI 1640 | Life | C11875500BT | |
| 样品室 | 自制 | ||
| 链霉亲和素包被磁性颗粒 | STEMCELL | 50001 | |
| 转染试剂盒 | Clontech | 631318 | |
| 0.25% 胰蛋白酶-EDTA | Life | 25200114 | |
| 镊子 | JD | N/A | |
| 名称 | 公司 | 货号 | 备注 |
| 设备 | |||
| 20x 物镜 NA 0.8 | Zeiss | 420650-9901 | Plan-Apochromat |
| 原子力显微镜 | JPK | cellHesion200 | |
| 离心机 | Beckman coulter | Allegra X-12R | |
| 荧光成像系统 | 基于 Zeiss 显微镜支架自制的物镜型全内反射荧光显微镜 | ||
| 加湿 CO2 培养箱 | Thermo Fisher | HERACELL 150i | |
| 倒置光学显微镜 | Zeiss | Observer A1 手动型 |
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