尽管细胞外基质(ECM)硬度是调控细胞行为的关键因素,但其潜在的感知与信号转导机制仍不明确。为解决这一问题,我们提供了可调节硬度的聚丙烯酰胺和硅胶基底的制备方案,以促进对细胞-ECM相互作用机制的理解。
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尽管细胞外基质(ECM)硬度是调控细胞行为的关键因素,但其潜在的感知与信号转导机制仍不明确。为解决这一问题,我们提供了可调节硬度的聚丙烯酰胺和硅胶基底的制备方案,以促进对细胞-ECM相互作用机制的理解。
细胞外基质(ECM)是调控细胞行为的关键因素,其中ECM的刚度作为一种重要的力学信号,调控着细胞的信号转导、形态及命运。然而,对刚度依赖性细胞反应的实验研究常常受限于缺乏可重复、成本低廉且易于获取、同时具备精确可调力学性能的培养平台。本实验方案描述了基于聚丙烯酰胺(PA)和硅胶的制备方法,用于构建刚度可调的ECM基底。该流程详细说明了基底制备、表面功能化以及ECM蛋白偶联步骤,以确保在生理相关刚度范围内实现稳定的细胞黏附。基于PA的基底适用于后续多种生化检测,包括蛋白质和RNA提取,以及高分辨率荧光成像。基于硅胶的基底则优化用于全内反射荧光(TIRF)显微镜,可实现对细胞-ECM在基底膜界面相互作用的可视化观察。此外,柔软基底还可改造用于支持类球体培养,并将其固定在一致的成像平面上,便于实现稳定的图像采集。这些方法提供了可靠、经济且可重复的实验平台,可用于系统性探究ECM刚度如何调控细胞过程,从而推动在生理和疾病背景下对细胞-ECM相互作用机制的深入理解。
细胞外基质(ECM)是一种基本的结构和生化支架,决定了组织的力学特性并支持其生物学功能。例如,肺和动脉等弹性组织富含以胶原蛋白和弹性蛋白为基础的ECM,为呼吸过程中反复的伸展-回缩循环提供了所需的机械弹性。相比之下,中枢神经系统含有富含糖胺聚糖的ECM,形成高度顺应性的微环境,有利于神经元的分化与信号传导1。在机体不同组织中,组织刚度跨越多个数量级,从脑和肺等软组织的数百帕斯卡,到肌腱和骨组织分别达到兆帕和吉帕级别的刚度2,3。这些力学差异不仅具有结构性意义,还在调控细胞行为方面发挥关键作用4,5。例如,间充质干细胞会根据基质刚度决定其谱系分化:在柔软基质上倾向于向神经元样细胞分化,在中等刚度基质上向肌源性细胞分化,而在刚硬基质上则向成骨细胞分化6。ECM刚度的病理性改变也可引发异常的细胞反应,促进疾病的发生与发展7,8,9。同样,细胞周围ECM特性的变化也会改变细胞器功能及多种细胞行为10,11。尽管ECM在调控信号传导、细胞器功能和疾病发病机制中的重要性已被广泛认识,但细胞感知并将ECM信号转化为生化信号的具体机制仍尚未完全阐明。
由于目前缺乏能够精确调控细胞外基质(ECM)特性,同时又与常规生化检测和成像工作流程完全兼容的实验平台,人们对细胞-ECM相互作用机制的理解进展在一定程度上受到限制。此外,研究细胞-ECM相互作用通常被认为在技术上具有挑战性,因为它需要涵盖材料科学、细胞生物学和生物工程学等多学科的专业知识。本方法旨在解决这些难题,提供逐步操作方案,用于在大多数湿实验环境中便捷地制备具有明确力学特性的聚丙烯酰胺(PA)和硅胶基细胞外基质基底。
具有可调刚度的聚丙烯酰胺(PA)凝胶是力学生物学研究中的常用材料;然而,其应用常受到细胞外基质(ECM)偶联试剂成本高昂、表面功能化不一致以及与大规模生化实验流程兼容性差等因素的限制。此外,目前尚缺乏针对不同刚度基底的样本收获与成像的实用且标准化的操作方法。上述瓶颈可通过本文所述的PA凝胶平台得以解决,该平台具有四项关键技术改进:(i)显著降低成本,(ii)可重复的功能化化学反应,(iii)通过可重复使用的硬件实现规模化生产,以及(iv)与多种常规细胞生物学和生化检测方法无缝整合。该方法通过调节丙烯酰胺与双丙烯酰胺的不同比例,制备出具有不同力学特性的水凝胶 (表1)。PA凝胶本身呈惰性,无法直接与ECM蛋白偶联。因此,采用紫外光引发的自由基聚合反应,在PA凝胶表面接合一层由四丙烯酸四(三羟甲基丙烷)酯、丙烯酸N-羟基琥珀酰亚胺酯(NHS-丙烯酸酯)和双丙烯酰胺组成的交联网络 (图1)。该网络为ECM蛋白提供了双重作用的粘附表面:其中NHS-丙烯酸酯可实现ECM蛋白的稳定共价锚定,而四丙烯酸酯则促进ECM蛋白的均匀吸附12。此外,我们还提供了从这些基底中收获蛋白质和核酸(如RNA)的方法,所得样品可兼容后续细胞生物学分析,如蛋白质印迹(western blotting)和逆转录-定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)。进一步地,所制备的柔性PA基底还支持类球体(spheroid)的形成,并使其位于一致的焦平面内,从而实现对三维细胞行为的系统性分析13。
相比之下,PA水凝胶的光学局限性限制了其在先进成像模式中的应用,特别是全内反射荧光(TIRF)显微镜14。为解决这一限制,我们开发了机械性能可调的硅胶基细胞外基质(ECM)基底,专为TIRF成像优化。这些材料具有与玻璃高度匹配的折射率,同时可在较宽范围内调节其刚度(图2A)。在进行ECM偶联之前,将不同组分比例的薄层硅胶通过旋涂法涂覆于盖玻片上(图2B 和表2)。然而,硅胶固有的疏水性和化学惰性阻碍了ECM的直接偶联。因此,我们采用表面修饰策略以实现ECM配体的共价连接。氧气等离子体处理在硅胶表面引入羟基(图2C)。随后,(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)将这些羟基转化为反应性氨基。1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)作为一种零长度碳二亚胺交联剂,可促进凝胶表面的氨基与ECM蛋白上的羧基之间形成共价酰胺键。
总体而言,这些细胞外基质(ECM)平台为研究ECM刚度依赖性信号机制提供了经济高效、可重复且可扩展的系统。其灵活性允许与生物化学检测、高分辨率成像以及高通量工作流程无缝整合,从而能够探究ECM刚度如何影响细胞行为并驱动疾病进展。
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1. 基于PA的ECM水凝胶的制备
2. 生成机械性能可调的硅胶基细胞外基质基底
3. 免疫染色和成像用细胞外基质底物的制备
4. 从接种于细胞外基质基底的细胞中收获蛋白质和RNA
5. 单层球状体培养物的制备
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使用表1中的配方制备的PA凝胶刚度通过流变仪进行了实验测试。选取了名义刚度值分别为0.4 kPa、6 kPa和60 kPa、跨越三个数量级的凝胶进行测试。实测刚度值分别为:400 Pa凝胶为363 ± 76 Pa,6 kPa凝胶为6.41 ± 0.50 kPa,60 kPa凝胶为36 ± 8 kPa(图4A)。为评估细胞外基质(ECM)在PA凝胶表面的均匀附着情况,将荧光标记的纤连蛋白共价连接至凝胶表面。每种凝胶随机选取五个视野进行成像,并量化平均荧光强度。荧光标记的纤连蛋白包被的0.4 kPa和6 kPa凝胶相较于未标记纤连蛋白包被的凝胶显示出更高的荧光强度。每种凝胶五个不同区域的荧光强度一致,表明表面共价结合均匀(图4B)。
为评估细胞对基质刚度的响应,将 A549 肺腺癌细胞培养在纤维连接蛋白包被的聚丙烯酰胺(PA)凝胶上,其刚度范围从 0.4 kPa(正常)到 13.8 kPa(病理状态)。这些数值分别代表健康的肺组织和病理性纤维化肺组织的刚度特征
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本文所述的细胞外基质(ECM)制备方案提供了一种可重复、可扩展且成本效益高的工作流程,可轻松在大多数实验室中实施。尽管传统的玻璃和塑料培养器皿使用方便,并能实现快速数据采集,但这些合成基底无法模拟生理相关的组织硬度。其他可机械调节的替代基底,如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或甲基丙烯酰化明胶(GelMA),虽然更易于制备,但通常难以达到亚千帕(sub-kilopascal)范围的硬度值,限制了其在脑、肺等软组织建模中的适用性19,20。相比之下,PA水凝胶和硅胶基底能够提供覆盖广泛组织力学特性的硬度范围,支持简便的配体偶联,同时与多种基于细胞的检测方法兼容。此外,该方法比目前昂贵但便捷的Sulfo-SANPAH方法更具成本优势。
尽管这些模拟细胞外基质(ECM)的支架能够精确调控ECM刚度,但仍存在若干重要局限性。首先,基于肽自组装(PA)和硅胶的基底均不可降解,无法重现动态的ECM重塑过程 体内 由于细胞与细胞外基质(ECM)之间的相互作用高度依赖于...
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作者声明无利益冲突。
本研究获得了加拿大卫生研究院(CIHR)研究卓越、多样性与独立性早期职业转型奖 202305ED8-509143-244657(授予 F.B.K.)以及美国国立卫生研究院癌症研究所 R35 CA242447-01A1(授予 V.M.W.)的资助。K.J. 是达蒙·鲁尼恩癌症研究基金会(Damon Runyon Cancer Research Foundation)洛伊丝·A·奇内利研究员(DRG-2547-25)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| (3-氨基丙基)三乙氧基硅烷 (APTES) | 919-30-2 | - | Thermo Fisher Scientific |
| 1.7 mL 微量离心管 | - | LMCT1.7B | FroggaBio |
| 12孔细胞培养处理板 | - | 83.3921 | Sarstedt |
| 15 mL 离心管(用于橙色腔室) | - | CLS430790 | Corning |
| 2-羟基-4′-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮(Irgacure) | 106797-53-9 | - | Thermo Fisher Scientific |
| 2% 双丙烯酰胺溶液 | 110-26-9 | - | Bio-Rad |
| 3-(3-二甲基氨基丙基)-1-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC) | 25952-53-8 | - | Chem Impex International |
| 4′,6-二脒基-2-苯基吲哚二盐酸盐 | 28718-90-3 | - | Sigma |
| 4′,6-二脒基-2-苯基吲哚二盐酸盐(DAPI) | - | D1306 | Invitrogen |
| 40% 丙烯酰胺溶液 | 01/06/1979 | - | Bio-Rad |
| 50% 戊二醛 | 111-30-8 | - | Thermo Fisher Scientific |
| 6 cm 细胞培养处理培养皿 | - | 83.3901 | Sarstedt |
| A549 细胞 | - | CCL-185 | ATCC |
| 丙烯酸 N-羟基琥珀酰亚胺酯 | 38862-24-7 | - | Thermo Fisher Scientific |
| Alexa Fluor 488 山羊抗兔抗体 | - | A11008 | Invitrogen |
| Alexa Fluor 594 NHS 酯(三(三乙基铵盐)) | - | A37572 | Invitrogen |
| 过硫酸铵 | 7727-54-0 | - | Bio-Rad |
| 透明抗冲击聚碳酸酯薄膜(0.005 英寸;间隔层) | - | 85585K72 | McMaster-Carr |
| CY 52-276 硅胶,组分 A 和 B | 2624028 | - | Dow |
| Dulbecco’s 改良 Eagle 培养基(DMEM) | - | 11995-065 | Thermo Fisher Scientific |
| 无水乙醇 | 64-17-5 | - | Greenfield Canada |
| Fast SYBR Green Master Mix | - | 4385612 | Thermo Fisher Scientific |
| 胎牛血清 | - | A52567-01 | Thermo Fisher Scientific |
| 纤连蛋白 | - | 356008 | Corning |
| 甲醛(16%) | - | 28908 | Thermo Fisher Scientific |
| HEPES | 7365-45-9 | - | BioShop |
| 高温硅橡胶片(0.020 英寸;垫圈) | - | 86435K452 | McMaster-Carr |
| 盐酸 | 7647-01-0 | - | BioShop |
| 大型空心打孔工具组 | - | 66000 | Mayhew Pro |
| Matrigel | - | 356234 | Corning |
| 培养基储存用硼硅酸盐玻璃瓶,250 mL | - | CLS1395250 | Corning |
| 培养基储存用硼硅酸盐玻璃瓶,500 mL | - | CLS1395500 | Corning |
| MicroAmp 快速光学 96 孔反应板 | - | 4346906 | Thermo Fisher Scientific |
| 显微镜载玻片盖玻片,18 mm 直径 | - | 72222-01 | Electron Microscopy Sciences |
| 显微镜载玻片盖玻片,50 mm 直径 | - | 1.84E+16 | eBay |
| PBS(1×) | - | 14190144 | Thermo Fisher Scientific |
| PBS(10×) | - | 70011044 | Thermo Fisher Scientific |
| 鬼笔环肽 | 17466-45-4 | - | Biotium |
| 磷酸化 FAK(Tyr397)抗体 | - | 85567 | Cell Signaling Technology |
| 磷酸化 MLC(Ser19)抗体 | - | 3671 | Cell Signaling Technology |
| 等离子清洗仪 | - | PDC-32G | Harrick Plasma |
| qPCR 引物(正向和反向) | - | N/A | Integrated DNA Technologies |
| qScript cDNA 合成试剂盒 | - | 95047 | QuantaBio |
| Rain-X | - | - | Rain-X |
| 螺口管,锥底,15 mL | - | 62.554.101 | Sarstedt |
| 螺口管,锥底,50 mL | - | 62.547.205 | Sarstedt |
| 血清移液管,10 mL | - | 170356N | Thermo Fisher Scientific |
| 血清移液管,25 mL | - | 170357N | Thermo Fisher Scientific |
| 血清移液管,5 mL | - | 170355N | Thermo Fisher Scientific |
| 血清移液管,50 mL | - | 170358N | Thermo Fisher Scientific |
| 氢氧化钠 | 1310-73-2 | - | BioShop |
| SYPRO Ruby 蛋白凝胶染色剂 | - | S12000 | Invitrogen |
| TEMED | 110-18-9 | - | Bio-Rad |
| TRIzol 试剂 | - | 15596026 | Thermo Fisher Scientific |
| 紫外光腔室 | - | 165-5031 | Bio-Rad |
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