此处详细描述了研究机械信号的分步实验方案 体外 使用多能性O9-1神经嵴细胞和不同硬度的聚丙烯酰胺水凝胶。
方法文章
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此处详细描述了研究机械信号的分步实验方案 体外 使用多能性O9-1神经嵴细胞和不同硬度的聚丙烯酰胺水凝胶。
神经嵴细胞(NCCs)是脊椎动物胚胎中具有多向分化潜能的细胞,能够迁移并分化为多种细胞类型,进而形成多种器官和组织。组织硬度产生的机械力作为一种物理信号,在NCC分化过程中发挥关键作用,但其作用机制尚不明确。本文所述方法详细介绍了如何优化制备不同硬度的聚丙烯酰胺水凝胶,准确测定其硬度,并评估机械信号对O9-1细胞(一种模拟NCC的细胞系)的影响 体内 NCCs
水凝胶刚度采用原子力显微镜(AFM)进行测量,并据此显示出不同的刚度水平。在不同刚度的水凝胶上培养的O9-1神经嵴细胞表现出不同的细胞形态以及应激纤维相关基因的表达差异,表明机械信号变化引发了不同的生物学效应。此外,该结果证实调节水凝胶刚度可实现有效的 体外 通过改变凝胶刚度并分析神经嵴细胞(NCCs)中分子与遗传调控,来操控机械信号传导的系统。在相应分化培养基的影响下,O9-1 NCCs 可分化为多种细胞类型,且便于化学信号的操控 体外因此,这 体外 该系统是研究机械信号在神经嵴细胞(NCCs)中的作用及其与化学信号相互作用的强大工具,将有助于研究人员更深入地理解神经嵴发育及相关疾病的分子与遗传机制。
神经嵴细胞(NCCs)是一类在脊椎动物胚胎发育过程中存在的干细胞,具有显著的迁移能力,并参与多种器官和组织的发育。NCCs 可分化为多种不同类型的细胞,包括感觉神经元、软骨、骨、黑色素细胞和平滑肌细胞,其分化命运取决于神经嵴细胞的轴向起源位置以及局部微环境的引导作用1,2。由于 NCCs 具有向多种细胞类型分化的潜能,因此在神经嵴(NC)发育的任何阶段发生导致调控异常的遗传缺陷,都可能引发多种先天性疾病2。例如,在 NCCs 的形成、迁移和发育过程中出现干扰,会导致一组统称为神经嵴病(neurocristopathies)的发育障碍1,3。这些疾病包括因 NCCs 形成失败而导致的颅面畸形,如 Treacher Collins 综合征;也包括由于 NCCs 具有转移性迁移能力而引发的多种癌症,例如黑色素瘤3,4,5,6。在过去的几十年中,研究人员对 NCCs 在发育和疾病中的作用及其机制取得了显著进展,其中大多数研究集中于化学信号的作用7,8。近年来,机械信号被发现也在 NCCs 的发育过程中发挥着关键但尚未被充分理解的作用9,10。
神经嵴细胞(NCCs)在发育过程中受到环境信号的显著调控,包括调控NCC向多种细胞类型的分化。环境信号(例如物理信号)会影响关键的细胞行为和反应,如功能多样化。机械转导使细胞能够感知并响应这些信号,以维持多种生物学过程2。NCC周围存在邻近细胞和不同基质(如细胞外基质(ECM)),这些结构可产生机械刺激,通过细胞命运决定、增殖和凋亡等过程维持稳态并适应环境变化11。机械转导始于细胞质膜,在此处机械性胞外刺激被感知,进而引发细胞内的调控反应12。整合素、黏着斑和质膜连接结构可将剪切力、应力以及周围基质刚度等机械信号转化为化学信号,从而引发细胞反应12。这些化学信号从质膜传递至最终的细胞调控,通过不同的信号通路完成对机体至关重要的生命过程,例如分化。
多项研究表明,基质硬度产生的机械信号在细胞分化中起着重要作用13,14例如,先前的研究表明,在刚度与脑组织相似(范围为0.1–1.0 kPa)的柔软基质上培养的间充质干细胞(MSCs)可分化为神经元样细胞15,16然而,当间充质干细胞在模拟肌肉硬度的8-17 kPa基质上培养时,会更多地分化为类似肌细胞的细胞;而在较硬的基质(25-40 kPa)上培养时,则观察到向类似成骨细胞方向的分化。15,16机械转导的重要性体现在机械信号通路中的异常和紊乱可能引发严重的发育缺陷和疾病,包括癌症、心血管疾病和骨质疏松症。17,18,19在癌症中,正常的乳腺组织质地较软,而僵硬且致密的乳腺组织会增加乳腺癌的风险,这种环境更类似于乳腺肿瘤。15通过调控基质刚度这一简单操作,可利用该知识研究机械信号对神经嵴细胞发育的影响。 体外 系统,为深入理解与纳米材料相关疾病的进展机制和病因提供了更多优势与可能性。
为了研究机械信号对神经嵴细胞(NCCs)的影响,我们建立了一种高效的方法 体外 基于对已发表方法的优化以及神经嵴细胞对不同机械信号响应的评估,建立了一种神经嵴细胞培养系统20,21提供了一种详细的水凝胶刚度调控制备方案,并用于评估机械信号对神经嵴细胞(NCCs)的影响。为实现该目标,采用O9-1 NCCs作为神经嵴(NC)模型 用于研究刚性与柔性水凝胶响应效应及变化的模型。O9-1 NCCs 是一种稳定的神经嵴细胞系,源自小鼠胚胎(E)8.5 天,可模拟神经嵴细胞(NCCs)的特性 体内 因为它们在特定的分化培养基中可分化为多种神经嵴来源的细胞类型22为了研究神经嵴细胞(NCCs)的力学信号传导,通过调节丙烯酰胺和双丙烯酰胺溶液的浓度制备了具有可调弹性的基质材料,以获得目标刚度,从而模拟生物基质的刚度特性20,21,23为优化神经嵴细胞(特别是O9-1细胞)的基质底物条件,对先前发表的实验方案进行了改进20将水凝胶在胶原蛋白I中孵育,胶原蛋白I用0.2%乙酸稀释而非50 mM HEPES,于37 °C过夜孵育。乙酸的低pH值有助于实现更均匀的分布和更高的胶原蛋白I整合,从而促进细胞外基质蛋白更均匀地附着24此外,在将水凝胶置于培养箱中储存之前,分别在磷酸盐缓冲液(PBS)中使用了浓度为10%的马血清和5%的胎牛血清(FBS)。由于马血清在10%浓度下具有促进细胞增殖和分化的能力,因此被作为胎牛血清的补充添加剂使用。25.
通过该方法,利用细胞外基质蛋白包被(例如 I 型胶原)模拟生物环境,以构建精确的 体外 为神经嵴细胞生长和存活提供环境20,21通过原子力显微镜(AFM)对所制备水凝胶的刚度进行定量分析,该技术是表征弹性模量的常用方法。26为了研究不同刚度水平对神经嵴细胞(NCCs)的影响,将野生型O9-1细胞培养并接种于水凝胶上,进行丝状肌动蛋白(F-actin)免疫荧光(IF)染色,以显示细胞黏附和形态在应对基底刚度变化时的差异。利用该方法 体外 通过该系统,研究人员将能够研究机械信号在神经嵴细胞(NCCs)中的作用及其与其他化学信号的相互作用,从而更深入地理解神经嵴细胞与机械信号之间的关系。
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1. 水凝胶制备
注意:所有步骤必须在细胞培养罩内进行,使用前需用乙醇消毒并经紫外线(UV)灭菌,以维持无菌环境。工具(如镊子和移液器)必须用乙醇喷洒处理。缓冲液也必须经过无菌过滤。
2. 通过原子力显微镜进行刚度的定量分析
3. 通过免疫荧光染色进行刚度的分子分析
4. 定量实时聚合酶链式反应(RT-qPCR)
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水凝胶制备及通过原子力显微镜与赫兹模型评估其刚度
在此,提供了一种通过调节丙烯酰胺与双丙烯酰胺比例来制备不同刚度聚丙烯酰胺水凝胶的详细实验方案。然而,由于缺乏细胞外基质(ECM)蛋白,聚丙烯酰胺水凝胶尚不能支持细胞黏附。因此,需使用磺基-SANPAH作为交联剂,使其共价结合至水凝胶,并与ECM蛋白中的伯胺基团发生反应,从而实现ECM蛋白通过共价连接固定于水凝胶表面 N-sulfo-SANPAH 经紫外线活化后生成的羟基琥珀酰亚胺酯。选用 I 型胶原蛋白作为细胞外基质蛋白,以有效促进 O9-1 细胞的黏附。为确保不同水凝胶的刚度值准确,采用原子力显微镜(AFM)进行刚度评估,该技术常用于测定弹性模量。
聚丙烯酰胺凝胶成功形成并牢固附着于玻璃盖玻片后,凝胶表面均匀,无明显撕裂,且与盖玻片保持良好粘附。通过原子力显微镜(AFM)采用压痕技术原理测定凝胶刚度,该方法使用刚性压头对样品施加特定作用力,以达到所需的压痕深度26。基于赫兹模型(Hertz's model)这一弹性理论,结合...
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本研究的目的是 提供一种有效且高效的方法 体外 系统以更好地理解机械信号对神经嵴细胞(NCCs)的影响。除了遵循上述分步实验方案外,研究人员还需注意,O9-1 NCCs的细胞培养会受到用于制备水凝胶的玻璃盖玻片类型的影响。例如,有研究发现,在特定类型的玻璃盖玻片上接种的细胞(参见 材料表) 存活并增殖良好,而在其他类型玻璃盖玻片上接种的培养细胞则表现出更多的细胞死亡。此外,严格遵循O9-1 NCCs的正确细胞培养条件至关重要38当水凝胶尽快使用或在无菌的37 °C培养箱中储存不超过两天时,细胞培养的质量最佳。
由于该实验方案中每个组分的敏感性,弹性模量在不同实验之间可能存在差异。除了方案中提到的关于10% APS(步骤1.3.2)的注意事项外,还有其他关键因素会影响这种变异性。另一个被怀疑导致原子力显微镜(AFM)测量结果出现较大差异的因素是水凝胶的厚度。先前一项研究探讨了厚度对杨氏模量的影响,厚度范围从15到1000 µm,结果发现厚度差异并未显著改变杨氏模量
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作者声明无利益冲突。
我们感谢德克萨斯大学健康科学中心原子力显微镜-UT核心设施负责人Ana-Maria Zaske博士在本项目中原子力显微镜(AFM)方面的专业支持。同时感谢美国国立卫生研究院(NIH)提供的经费支持(项目编号:K01DE026561、R03DE025873、R01DE029014、R56HL142704 和 R01HL142704,授予J. Wang)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 12 mm #1 Corning 0211 玻璃盖玻片 | Chemglass Life Sciences | CLS-1763-012 | |
| 2% 双丙烯酰胺 | Sigma Aldrich | M1533 | |
| 24 孔板 | Greiner Bio-one | 662165 | |
| 25 mm #1 Corning 0211 玻璃盖玻片 | Chemglass Life Sciences | CLS-1763-025 | |
| 3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTS) | Sigma Aldrich | A3648 | |
| 4 孔细胞培养板 | Thermo Scientific | 179830 | |
| 4% 多聚甲醛 | Sigma Aldrich | J61899-AP | |
| 40% 丙烯酰胺 | Sigma Aldrich | A4058 | |
| 50% 戊二醛 | Sigma Aldrich | G7651 | |
| 6 孔细胞培养板 | Greiner Bio-one | 657160 | |
| 原子力显微镜悬臂梁(球形微珠) | Novascan | ||
| 原子力显微镜软件 | Catalyst NanoScope | 型号:8.15 SR3R1 | |
| Alexa Fluor 488 鬼笔环肽 | Thermo Fisher | A12379 | |
| 过硫酸铵(APS) | Sigma Aldrich | 248614 | 粉末 |
| 抗 AP-2α 抗体 | Santa Cruz | sc-12726 | |
| 抗连环蛋白抗体 | Abcam | ab129002 | |
| 原子力显微镜(AFM)Bioscope Catalyst | Bruker Corporation | ||
| I 型胶原蛋白(100 mg) | Corning | 354236 | |
| DAPI(4',6-二脒基-2-苯基吲哚,盐酸盐) | Thermo Fisher | D1306 | |
| 二氯甲基硅烷(DCMS) | Sigma Aldrich | 440272 | |
| 驴血清 | Sigma Aldrich | D9663 | |
| 杜氏改良伊格尔培养基(DMEM) | Corning | 10-017-CV | |
| 胎牛血清(FBS) | Corning | 35-010-CV | |
| 荧光显微镜 | Leica | 型号 DMi8 | |
| Fluoromount-G 封片剂 | SouthernBiotech | 0100-35 | |
| HEPES | Sigma Aldrich | H3375 | 粉末 |
| 马血清 | Corning | 35-030-CI | |
| iScript 反转录超级混合液 | Bio-Rad | 1708841 | |
| 青霉素-链霉素抗生素 | Thermo Fisher | 15140148 | |
| RNeasy 微量试剂盒 | Qiagen | 74004 | |
| 无菌 1× PBS | Hyclone | SH30256.02 | |
| 无菌去离子水 | Hardy Diagnostics | U284 | |
| sulfo-SANPAH | Thermo Fisher | 22589 | |
| SYBR Green | Applied Biosystems | 4472908 | |
| TEMED | Sigma Aldrich | T9281 | |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100 | |
| Tween 20 | Sigma Aldrich | P9416 |
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