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Methodenartikel

Abbildung der molekularen Adhäsion im Zellrollen durch Adhäsion Footprint Assay

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DOI:

10.3791/63013

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27. September 2021

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1Department of Chemistry, The University of British Columbia, 2Biochemistry and Molecular Biology, The University of British Columbia, 3Faculty of Medicine, The University of British Columbia

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll stellt die experimentellen Verfahren zur Durchführung des Adhäsions-Footprint-Assays vor, um die Adhäsionsereignisse während der schnellen Zellrollenadhäsion abzubilden.

Zusammenfassung

Die rollende Adhäsion, die durch selektinvermittelte Wechselwirkungen erleichtert wird, ist eine hochdynamische, passive Motilität bei der Rekrutierung von Leukozyten an der Entzündungsstelle. Dieses Phänomen tritt in postkapillaren Venolen auf, wo der Blutfluss Leukozyten in einer rollenden Bewegung auf die Endothelzellen drückt. Stabiles Walzen erfordert ein empfindliches Gleichgewicht zwischen der Bildung von Adhäsionsbindungen und deren mechanisch angetriebener Dissoziation, so dass die Zelle während des Walzens in Strömungsrichtung an der Oberfläche befestigt bleibt. Im Gegensatz zu anderen Adhäsionsprozessen, die in relativ statischen Umgebungen ablaufen, ist die Rolladhäsion hochdynamisch, da sich die Rollelzellen mit mehreren zehn Mikrometern pro Sekunde über Tausende von Mikrometern bewegen. Konventionelle mechanoologische Methoden wie die Zugkraftmikroskopie sind daher aufgrund der kurzen Zeitskala und der erforderlichen hohen Sensitivität ungeeignet, um die einzelnen Adhäsionsereignisse und die damit verbundenen molekularen Kräfte zu messen. Hier beschreiben wir unsere neueste Implementierung des Adhäsions-Footprint-Assays zur Abbildung des P-Selektins: PSGL-1-Wechselwirkungen in der rollenden Adhäsion auf molekularer Ebene. Diese Methode verwendet irreversible DNA-basierte Spannungsmessstreifenbinder, um eine permanente Historie molekularer Adhäsionsereignisse in Form von Fluoreszenzspuren zu erzeugen. Diese Spuren können auf zwei Arten abgebildet werden: (1) Zusammenfügen von Tausenden von beugungsbegrenzten Bildern, um ein großes Sichtfeld zu erzeugen, das die Extraktion des Adhäsionsfußabdrucks jeder rollenden Zelle über Tausende von Mikrometern Länge ermöglicht, (2) Durchführen von DNA-PAINT, um hochauflösende Bilder der Fluoreszenzspuren in einem kleinen Sichtfeld zu rekonstruieren. In dieser Studie wurde der Adhäsions-Footprint-Assay verwendet, um HL-60-Zellen zu untersuchen, die bei verschiedenen Scherspannungen rollen. Dabei konnten wir die räumliche Verteilung der P-Selektin:PSGL-1-Wechselwirkung abbilden und durch fluoreszenzintensität Einblick in ihre molekularen Kräfte gewinnen. Damit liefert diese Methode die Grundlage für die quantitative Untersuchung der verschiedenen Zell-Oberflächen-Wechselwirkungen, die an der Rolladhäsion auf molekularer Ebene beteiligt sind.

Einleitung

Die rollende Adhäsionskaskade beschreibt, wie zirkulierende Zellen an die Blutgefäßwand binden und entlang dieser rollen1. Passives Walzen wird hauptsächlich durch Selectine vermittelt, eine Hauptklasse zellulärer Adhäsionsmoleküle (CAMs)1. Unter dem Scherfluss des Blutes bilden Leukozyten, die P-Selektin-Glykoprotein-Ligand-1 (PSGL-1) exprimieren, hochtransiente Bindungen mit P-Selektin, die auf der Oberfläche entzündeter Endothelzellen exprimiert werden können. Dieser Prozess ist entscheidend dafür, dass Leukozyten an einen Ort der Entzündung wandern2. Darüber hinaus ist PSGL-1 auch ein mechanosensitiver Rezeptor, der in der Lage ist, die nachfolgende feste Adhäsionsstufe der rollenden Adhäsionskaskade auszulösen, wenn er mit P-Selektin3 interagiert.

Genetische Mutationen, die die CAM-Funktion beeinflussen, können das Immunsystem stark beeinträchtigen, wie z.B. bei der seltenen Erkrankung des Leukozytenadhäsionsmangels (LAD), bei der eine Fehlfunktion der Adhäsionsmoleküle, die das Rollen vermitteln, zu stark immungeschwächten Personen führt4,5,6. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass zirkulierende Tumorzellen nach einem ähnlichen Rollprozess wandern, was zu Metastasen führt7,8. Da das Zellrollen jedoch schnell und dynamisch ist, sind herkömmliche experimentelle mechanotische Methoden ungeeignet, um molekulare Wechselwirkungen während des Zellrollens zu untersuchen. Während Einzelzell- und Einzelmolekül-Manipulationsmethoden wie Rasterkraftmikroskopie und optische Pinzette molekulare Wechselwirkungen wie die kraftabhängige Wechselwirkung von P-Selectin mit PSGL-1 auf Einzelmolekülebene untersuchen konnten9, sind sie für die Untersuchung von Live-Adhäsionsereignissen während des Zellrollens ungeeignet. Darüber hinaus kann die in vitro charakterisierte Interaktion die Frage nach der molekularen Adhäsion in vivo nicht direkt beantworten. Welcher molekulare Spannungsbereich ist beispielsweise biologisch relevant, wenn Zellen in ihrer natürlichen Umgebung funktionieren? Berechnungsmethoden wie die Klebstoffdynamiksimulation10 oder das einfache stationäre Modell11 haben bestimmte molekulare Details und deren Einfluss auf das Walzverhalten erfasst, sind aber stark von der Genauigkeit der Modellierungsparameter und -annahmen abhängig. Andere Techniken wie die Zugkraftmikroskopie können Kräfte während der Zellmigration erkennen, liefern jedoch keine ausreichende räumliche Auflösung oder quantitative Informationen über die molekulare Spannung. Keine dieser Techniken kann direkte experimentelle Beobachtungen der zeitlichen Dynamik, der räumlichen Verteilung und der Magnitudenheterogenität molekularer Kräfte liefern, die sich direkt auf die Zellfunktion und das Zellverhalten in ihrer nativen Umgebung beziehen.

Daher ist die Implementierung eines molekularen Kraftsensors, der in der Lage ist, selektive Wechselwirkungen genau zu messen, von entscheidender Bedeutung, um unser Verständnis der Walzadhäsion zu verbessern. Hier beschreiben wir das Protokoll für den Adhäsions-Footprint-Assay12, bei dem PSGL-1-beschichtete Kügelchen auf einer Oberfläche gerollt werden, die p-selektin-funktionalisierte Spannungsmessstreifen-Tethers (TGTs)13 präsentiert. Diese TGTs sind irreversible DNA-basierte Kraftsensoren, die zu einer permanenten Historie von Bruchereignissen in Form von Fluoreszenzanzeigen führen. Dies wird durch das Aufbrechen des TGT (dsDNA) und anschließende Markierung des rupturierten TGT (ssDNA) mit einem fluoreszierend markierten Komplementärstrang erreicht. Ein großer Vorteil dieses Systems ist seine Kompatibilität sowohl mit beugungsbegrenzter als auch mit hochauflösender Bildgebung. Der fluoreszenzmarkierte Komplementärstrang kann entweder dauerhaft gebunden (>12 bp) für die beugungsbegrenzte Bildgebung oder vorübergehend gebunden (7-9 bp) für die hochauflösende Bildgebung durch DNA PAINT. Dies ist ein ideales System, um die Walzhaftung zu untersuchen, da die TGTs während des aktiven Walzens gerissen sind, aber die Fluoreszenzanzeige wird nach dem Walzen analysiert. Die beiden bildgebenden Verfahren geben dem Anwender zudem mehr Freiheit, die Rollhaftung zu untersuchen. Typischerweise ist die beugungsbegrenzte Bildgebung nützlich, um die molekulare Bruchkraft durch Fluoreszenzintensität zu extrahieren13, während die hochauflösende Bildgebung eine quantitative Analyse der Rezeptordichte ermöglicht. Mit der Fähigkeit, diese Eigenschaften der Walzadhäsion zu untersuchen, bietet dieser Ansatz eine vielversprechende Plattform für das Verständnis des Kraftregulationsmechanismus auf die molekulare Adhäsion von rollenden Zellen unter Scherfluss.

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Protokoll

1. Oligonukleotid-Markierung und Hybridisierung

  1. Reduktion von Protein G Disulfidbindungen
    1. Lösen Sie 10 mg Protein G (ProtG) in 1 ml Reinstwasser auf.
      HINWEIS: Das Protein G ist hier mit einem einzelnen Cysteinrest am C-Terminus und einem N-Terminus-Polyhistidin-Tag modifiziert.
    2. Pufferaustausch ≥20 μL ProtG (10 mg/ml) in 1x PBS (pH 7,2) mit einer P6-Säule.
    3. Messen Sie die Proteinkonzentration nach dem Pufferaustausch.
      ANMERKUNG: Typische Konzentration von 7-8 mg/ml.
    4. Herstellen von 120 mM Tris(2-carboxyethyl)phosphin (TCEP) durch Lösen von 3 mg TCEP in 90 μL 1x PBS (pH 7,2), gefolgt von 10 μL 0,5 M EDTA.
      HINWEIS: TCEP sollte frisch zubereitet werden.
    5. Fügen Sie 4 μL 120 mM TCEP (480 nmol) zu 20 μL ProtG (4-5 nmol) hinzu.
      HINWEIS: Streben Sie ein molares Verhältnis von ~ 100: 1 TCEP zu Protein an.
    6. Lassen Sie die Reaktion 30 minuten bei Raumtemperatur (RT) ablaufen.
    7. Entfernen Sie überschüssiges TCEP aus dem reduzierten ProtG mit einer P6-Säule (Puffer ausgetauscht in 1x PBS, pH 7,2).
    8. Messen Sie die Konzentration des reduzierten ProtG mit einem UV/Vis-Spektralphotometer und speichern Sie die Spektren.
      ANMERKUNG: Typische Konzentration von 3,5-4,5 mg/ml.
  2. Amin-markierte ssDNA-Reaktion mit Sulfo-SMCC
    1. Amin-markiertes ssDNA (Amine-ssDNA) in nukleasefreiem Wasser auf eine Konzentration von 1 mM auflösen. Überprüfen Sie die Strangkonzentration mit einem UV/Vis-Spektralphotometer.
    2. 11,5 mM Sulfo-SMCC (ein hetero-bifunktioneller Vernetzer mit Sulfo-NHS-Ester und Maleimid) Lösung frisch zubereiten, indem 2 mg Sulfo-SMCC in 400 μL Reinstwasser und Wirbel zum Mischen gelöst werden.
    3. 6 μL des 1 mM Amin-ssDNA (6 nmol) auf 5,2 μL 11,5 mM Sulfo-SMCC (60 nmol) und 88,8 μL 1x PBS (pH 7,2) gegeben. Wirbel für 5 s, gefolgt von Zentrifugation bei 8600 x g für 3 min.
    4. Lassen Sie die Reaktion bei RT 30 Minuten lang ablaufen.
    5. Entfernen Sie überschüssiges Sulfo-SMCC aus dem SMCC-konjugierten Amine-ssDNA (mal-ssDNA) mit einer P6-Säule (Puffer ausgetauscht in 1x PBS, pH 7,2).
    6. Messen Sie die Konzentration der Mal-ssDNA mit einem UV/Vis-Spektralphotometer und speichern Sie die Spektren.
      ANMERKUNG: Typische Konzentration von 35-45 μM.
  3. ProtG-ssDNA-Konjugation
    1. 21 μL von 4,5 mg/ml reduziertem ProtG (3 nmol) zur mal-ssDNA (~4-5 nmol) geben.
      HINWEIS: Volumina und Konzentrationen sind hier typische Werte. Passen Sie sie entsprechend der individuellen experimentellen Messung an. Stellen Sie immer eine überschüssige Menge an Mal-ssDNA über ProtG in einem Verhältnis von ~ 1,5: 1 sicher.
    2. Wirbeln Sie für 5 s und lassen Sie die Reaktion für 3 h bei RT ablaufen.
  4. ProtG-ssDNA Reinigung und Charakterisierung
    1. Reinigen Sie die konjugierte ProtG-ssDNA durch His-Tag-Isolierung mit magnetischen Nickel-Nitrilotriessigsäure (Ni-NTA) -Perlen.
    2. Entfernen Sie überschüssiges Imidazol (Ni-NTA-Elutionspuffer) mit einer P6-Säule (Puffer ausgetauscht in 1x PBS, pH 7,2) aus dem Produkt.
      HINWEIS: Dieser Schritt ist für die Quantifizierung der Konjugation unerlässlich, da Imidazol eine signifikante Absorption bei 280 nm aufweist.
    3. Verwenden Sie ein UV/Vis-Spektralphotometer, um die Spektren des Produkts ProtG-ssDNA sowie den Ni-NTA-Elutionspuffer (1x) aufzuzeichnen.
      HINWEIS: Die typische ProtG-ssDNA-Absorption bei 260 nm und 280 nm beträgt 0,8 bzw. 0,6 nm.
    4. Um die Konjugationseffizienz und das Verhältnis von ProtG zu ssDNA zu bestimmen, verwenden Sie das benutzerdefinierte MATLAB-Skript (Supplemental Coding File 1), um das Endproduktspektrum basierend auf den drei zuvor gesammelten Spektren (ProtG, SMCC-Strang, Ni-NTA-Bead-Elutionspuffer) zu zerlegen.
      Hinweis: Kurz gesagt, der Code funktioniert wie in den Schritten 1.4.5-1.4.8 beschrieben. Die typische Konzentration beträgt 4 μM ProtG-ssDNA mit ProtG und ssDNA bei einem molaren Verhältnis von ~1:1 (Abbildung 2A).
    5. Geben Sie ProtG, SMCC-Strang, Ni-NTA-Perlen-Elutionspuffer und die ProtG-ssDNA UV/Vis-Spektren in das MATLAB-Skript ein
    6. Führen Sie eine mehrdimensionale uneingeschränkte nichtlineare Minimierung durch, um die ProtG-ssDNA-Spektren aus den Quellspektren (ProtG-, SMCC-Strang- und Ni-NTA-Perlenelutionspufferspektren) zu rekonstruieren.
      HINWEIS: Die Minimierungsfunktion gibt drei Transformationsfaktoren aus, einen für jedes Quellspektren.
    7. Rekonstruieren Sie die ProtG-ssDNA-Spektren, indem Sie die Spektren mit ihrem entsprechenden Faktor multiplizieren und die transformierten Quellenspektren kombinieren.
    8. Multiplizieren Sie die Anfangskonzentration des ProtG- und SMCC-Strangs mit den entsprechenden Transformationsfaktoren, um die Konzentrationen von SMCC-Strang und ProtG im ProtG-ssDNA-Produkt zu bestimmen.
    9. (OPTIONAL) Führen Sie die systemeigene PAGE gemäß Abbildung 2B aus , um sicherzustellen, dass jede Komponente und jeder Schritt wie erwartet funktioniert.
  5. TGT-Hybridisierung
    1. Hybridisieren Sie ProtG-ssDNA (oberer Strang) mit biotinyliertem unterem Strang in einem molaren Verhältnis von 1,2:1 mit Konzentrationen von 240 nM bzw. 200 nM im T50M5-Puffer (10 mM Tris, 50 mM NaCl, 5 mM MgCl2), um das gesamte TGT-Konstrukt zu hybridisieren. Lassen Sie bei RT ≥1 h hybridisieren.

2. Oberflächen-PEGylierung

  1. Oberflächenreinigung
    1. Reinigen Sie einen Erlenmeyerkolben und zwei Färbegläser pro 8 Deckgläser. Füllen Sie jeden Behälter mit 1 M KOH-Lösung und sonicisieren Sie für 1 h bei RT. Waschen Sie jeden Behälter gründlich mit Reinstwasser und trocknen Sie ihn mit N2 oder in einem Ofen.
      HINWEIS: Füllen Sie den KOH nach oben, um den Deckel zu berühren, damit sie auch gereinigt werden.
    2. Spülen Sie jeden Deckglas gründlich mit Reinstwasser ab und legen Sie ihn in eines der gereinigten Färbegläser.
      HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass sie nicht aneinander oder an der Wand der Färbegläser kleben.
    3. In einem Abzug eine Piranha-Lösung frisch zubereiten, indem Sie 30 ml Wasserstoffperoxid (30%) zu 90 ml konzentrierter (95% -98%) Schwefelsäure in einem 250-ml-Becherglas hinzufügen.
      VORSICHT: Konzentrierte Schwefelsäure ist stark korrosiv. Fügen Sie das Wasserstoffperoxid sehr langsam zur Schwefelsäure hinzu und schwenken Sie es vorsichtig zum Mischen.
    4. Tauchen Sie die Deckgläser mit der Piranha-Lösung vollständig in das Färbeglas. Deckgläser in Piranha für 30 min im Abzug lassen.
      ACHTUNG: Kühlen Sie die Piranha-Lösung vor dem Gießen auf nicht mehr als 80 ° C ab, um ein Reißen des Färbeglases zu vermeiden.
    5. Die Piranha-Lösung in ein 1000-ml-Becherglas entsorgen und mit dem 1 M KOH aus der Glasreinigung neutralisieren.
    6. (OPTIONAL) Wiederholen Sie die Piranha-Reinigung (Schritte 2.1.3-2.1.5) mit einer frischen Piranha-Lösung.
    7. Spülen Sie die Deckgläser mit reichlich Reinstwasser ab, um alle restlichen Piranha-Lösungen zu entfernen. Schütteln Sie das Färbeglas bei jedem Aufstehen vorsichtig, um die Entfernung zu erleichtern (10 Spülungen werden empfohlen).
    8. Spülen Sie die Deckgläser 3 Mal mit Methanol ab, um Wasser von der Deckglasoberfläche zu entfernen, und halten Sie die Deckgläser in Methanol getaucht.
  2. Oberflächen-Silanisierung
    1. Bereiten Sie eine 1% ige Aminosilanlösung vor, indem Sie 94 ml Methanol, 1 ml Aminosilan und 5 ml Eisessig in dem gereinigten und getrockneten Erlenmeyerkolben gründlich mischen. In das zweite gereinigte und getrocknete Färbeglas gießen14.
    2. Die Deckgläser, die unter die Methanollösung getaucht sind, in das Färbeglas mit 1% iger Aminosilanlösung geben und das Glas abgedeckt halten.
      HINWEIS: Lassen Sie die Deckgläser während des Übergangs zu Aminosilan nicht trocknen, um die Exposition der Glasoberfläche gegenüber Luft zu begrenzen.
    3. Das Färbeglas mit Den Deckgläsern in Aminosilan 1 h bei 70 °C in einem Ofen inkubieren15.
    4. Entsorgen Sie die Aminosilanlösung vorsichtig in einem separaten Abfallbehälter und spülen Sie die Deckgläser im Färbeglas 5 Mal mit Methanol ab, um die Aminosilanlösung zu entfernen.
    5. Deckgläser im Färbeglas 5 Mal mit Reinstwasser abspülen und mit N2 trocknen.
    6. Die getrockneten Deckgläser im Färbeglas im Backofen bei 110 °C 20 min backen. Lassen Sie die Deckgläser auf RT abkühlen und legen Sie sie dann auf das PEGylierungsgestell.
      HINWEIS: Decken Sie das Färbeglas während des Backens mit einem Deckel ab, um besondere und chemische Ablagerungen auf der Oberfläche zu minimieren15.
  3. Vorbereitung von PEG-Lösungen
    1. Auftauen von PEG (Polyethylenglykol) und PEG-Biotin auf RT für ca. 30 min.
      HINWEIS: Dieser Schritt minimiert die Feuchtigkeitskondensation, die den NHS-Ester auf PEG abbauen kann.
    2. Machen Sie PEG-Puffer, indem Sie 84 mg Natriumbicarbonat zu 10 ml Reinstwasser hinzufügen. Diese Formulierung sollte einen Puffer bei pH 8,4 bereitstellen.
    3. Für 8 Deckgläser, jeweils mit einer PEGylierten Seite mit 20:1 PEG:PEG-Biotin: 100 mg PEG und 5 mg PEG-Biotin messen, um 400 μL PEG-Puffer hinzuzufügen. Wirbeln Sie die Lösung für 30 s und zentrifugieren Sie für 1 min mit der maximalen Geschwindigkeit (≥18000 x g).
      HINWEIS: Dieser Schritt ist zeitkritisch, da die SVA NHS-Ester-Hydrolyse sofort beginnt und eine Halbwertszeit von 34 min bei pH 8,0 hat, mit einer kürzeren Halbwertszeit bei pH 8,4.
  4. PEG-Inkubation und Deckglaslagerung
    1. Stellen Sie die Feuchtigkeitskammer auf und legen Sie die Deckgläser hinein.
    2. Geben Sie 90 μL PEG-Lösung zu einem Deckglas in der Feuchtigkeitskammer hinzu und legen Sie einen zweiten Deckglas mit einer Deckglas-Pinzette auf die PEG-Lösung, um die PEG-Lösung gleichmäßig zu verteilen.
    3. Stellen Sie sicher, dass die Lösung, die auf den Deckslip fällt, keine Blasen enthält. Untere ein Ende des zweiten Deckglases auf dem ersten Deckglas und lassen Sie das andere Ende langsam fallen, so dass keine Blasen zwischen den Deckgläsern eingeklemmt sind.
      HINWEIS: Blasen führen dazu, dass bestimmte Bereiche schlecht PEGyliert sind.
    4. Wiederholen Sie den Vorgang, bis alle Deckgläser PEG haben (d. h. 8 Deckgläser = 4 PEG-Sandwiches). Inkubieren Sie die PEG-Lösungen über Nacht (~12 h) bei RT in einer Feuchtigkeitskammer im Dunkeln16.
    5. Trennen Sie die Deckglaspaare und legen Sie sie in ein Färbeglas. Beachten Sie die PEGylierten Seiten.
    6. Die Deckgläser gründlich mit Reinstwasser abspülen und mit N2 abtrocknen.
      HINWEIS: Halten Sie die Deckgläser mit einer Pinzette und blasen Sie N2 über die Oberfläche in Richtung Pinzette, um zu verhindern, dass Verunreinigungen auf der Oberfläche austrocknen.
    7. Markieren Sie die nicht PEGylierte Seite mit einem Punkt an einer Ecke mit einem Permanentmarker oder einem Diamantstift.
    8. Legen Sie 2 PEGylierte Deckgläser in Mailer-Tuben, wobei die PEGylierten Seiten einander zugewandt sind, um die PEGylierte Seite vor dem Gebrauch zu identifizieren.
    9. Saugen Sie die Röhre für 5 min ab und füllen Sie sie mit N2 ab. Verschließen Sie das Röhrchen mit Parafilm.
    10. Lagern Sie die PEGylierten Deckgläser bei -20 °C in den versiegelten Mailertuben bis zu 6 Monate.
      HINWEIS: Erwärmen Sie die Speicherrohre vor der Chipmontage auf RT. Kondensation auf den Deckgläsern während des Versiegelns führt zu Undichtigkeiten.

3. Vorbereitung der Durchflusskammer

  1. Chipmontage
    1. Eine kleine Menge Epoxidharz auf beiden Seiten doppelseitigem Klebeband mit einer Rasierklinge dünn verteilen.
      HINWEIS: Während der Montage kann sich zu viel Epoxidharz in den Kanal ausbreiten.
    2. Laserschneiden Sie das epoxidbeschichtete Klebeband, um 4 Kanäle zu erzeugen. Erstellen Sie den Flow-Chip, indem Sie das Epoxidband zwischen einem 4-Loch-Schlitten und einem PEG-Deckglas platzieren (Abbildung 1A).
    3. Üben Sie mit einer Pipettenspitze sanften Druck entlang der Länge der Kanäle aus, um eine gute Abdichtung zu erzeugen. Härten Sie das Epoxidharz für ≥1 h aus.
      HINWEIS: Scheren Sie das Glas nicht, um ein Gleiten gegen Epoxidharz zu vermeiden.
  2. Kammermontage
    1. Richten Sie den Chip so aus, dass die Öffnung jedes Kanals in der Mitte des Adapters positioniert ist (Abbildung 1A). Legen Sie zwei transparente Acryl-Abstandshalter auf den Chip, üben Sie festen Druck in der Mitte des Blocks aus und schrauben Sie zwei 4-40 Schrauben an den Enden jedes Abstandhalters ein.
      HINWEIS: Drücken Sie die Schraube nicht und drücken Sie nicht zu stark auf die Abstandshalter, da sonst der Chip reißen kann.
    2. Schrauben Sie auf der anderen Seite der Halterung die Einlässe in die Gewindebohrungen. Überwachen Sie den Dichtungszustand durch den transparenten Acrylblock.
    3. Wenn der Schlauch mit der Öffnung des Chips in Kontakt kommt, versiegeln Sie die Verbindung, indem Sie den Schlauch vorsichtig im Uhrzeigersinn drehen.
      HINWEIS: Überverspannte Einlässe können zu Strömungsverstopfungen führen, während lose Kontakte zu Leckagen führen.

4. Oberflächenvorbereitung

HINWEIS: Den gesamten Workflow finden Sie in Abbildung 1B .

  1. Blockiermittel zur Vermeidung unspezifischer Bindungen
    1. Verwenden Sie eine Pipette, um 200 μL Waschpuffer (10 mM Tris, 50 mM NaCl, 5 mM MgCl2 und 2 mM CaCl2, 0,05% Tween 20) in die Kammer zu leiten, um nach Leckagen zu suchen. Wenn sich Blasen im Kanal bilden, drücken Sie aggressiv zusätzliche 200 μL, um die Blasen zu entfernen.
      HINWEIS: Große Luftblasen, die bei diesem Schritt nicht entfernt werden, können sich später lösen und die Oberflächenfunktionalisierung zerstören.
    2. 40 μL BSA (1% w/v) in die Durchflusskammer geben, um unspezifische Bindungen zu verhindern, und 10 min inkubieren.
    3. Stellen Sie sicher, dass Sie während jeder Inkubationszeit genügend Volumen hinzufügen, um die Durchflusskammern zu füllen und Tröpfchen an den Ein- und Auslässen zu bilden. Passen Sie das Inkubationsvolumen entsprechend an und führen Sie alle Inkubationen in einer Feuchtigkeitskammer durch.
    4. 40 μL Tween 20 (5% v/v) in die Durchflusskammer geben. Inkubieren Sie für 10 min, um die unspezifische Bindung weiter zu reduzieren.
    5. (OPTIONAL) Überprüfen Sie die Oberfläche auf ausreichende Passivierung, indem Sie Polystyrolperlen durch den Kanal strömen lassen. Fügen Sie 40 μL ProtG-beschichtete Polystyrolperlen (0,01% w/v) hinzu und machen Sie ein Bild mit einem Dunkelfeldmikroskop mit 10-fachem Objektiv. Wenn Perlen nicht an der Oberfläche haften, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort.
    6. Waschen Sie den Kanal mit 200 μL Waschpuffer, um alle Passivierungsmittel zu entfernen.
  2. Funktionalisierung der Kammeroberfläche
    1. 40 μL Streptavidin (100 μg/ml) in die Durchflusskammer geben und 20 min inkubieren. Dann mit 200 μL Waschpuffer waschen.
    2. 40 μL hybridisiertes ProtG-TGT (100 nM) in die Durchflusskammer geben und 20 min inkubieren. Anschließend mit 200 μL Waschpuffer waschen.
    3. Fügen Sie 40 μL ProtG-TGT Oberstrang (100 nM) für 20 min hinzu, um jeden unhybridisierten TGT-Unterstrang auf der Oberfläche zu vervollständigen. Mit 200 μL Waschpuffer waschen.
    4. 40 μL P-Selectin-Fc (10 μg/ml) in die Durchflusskammer geben und 60 min inkubieren. Dann mit 200 μL Waschpuffer waschen.
      HINWEIS: Die Inkubationsdauer ist entscheidend.

5. Experiment und Bildgebung

  1. Einrichtung des Flow-Systems
    1. Füllen Sie eine 5 mL Glasspritze mit dem Walzpuffer (HBSS mit 2 mM CaCl2, 2 mM MgCl2, 10 mM HEPES, 0,1% BSA). Stellen Sie sicher, dass sich keine Luftblasen in der Spritze befinden, indem Sie auf die Seiten der Spritze klopfen, um die Blasen zu entfernen und sie herauszudrücken, während sie in Richtung der Spitze schweben.
    2. Führen Sie eine sterile Nadel (26 G, 5/8 Zoll Länge) in einen ~200 mm Polyethylenschlauch (ID: 0,38 mm; O.D: 1,09 mm) und verbinden Sie die Nadel mit der Glasspritze.
      HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass keine Luft irgendwo im Nadelverbinder eingeschlossen ist.
    3. Befestigen Sie die Spritze an der Spritzenpumpe und neigen Sie die Spritzenpumpe so, dass die Kolbenseite angehoben ist, um zu verhindern, dass Luftblasen in den Kanal gelangen. Setzen Sie das Ende des Rohrs in den Einlass der Durchflusskammer ein.
      HINWEIS: Stellen Sie beim Herstellen der Verbindung den Kontakt von Flüssigkeit zu Flüssigkeit sicher, indem Sie Tröpfchen auf die Einlässe ablagern und Tröpfchen am Ende des Spritzenschlauchs haben. Stellen Sie sicher, dass keine Luftblasen in den Kanal gelangen, indem Sie einen kleinen Tropfen am Ende des Spritzenschlauchs bilden lassen, bevor Sie ihn in den Einlass einführen.
    4. Legen Sie ein Ende eines weiteren 200 mm des Polyethylenschlauchs in den Auslass und das andere Ende in ein Abfallbecherglas.
  2. Einrichten für das Rollen von Zellen
    1. Züchtung von HL-60-Zellen in 25 cm2 belüfteten Kulturflaschen in IMDM-Medien, ergänzt mit 20% fetalem Rinderserum und 1% Antibiotika bei 37 °C mit 5% CO2. Halten Sie die Zelldichten zwischen 1 x 105-2 × 106 Zellen / ml aufrecht.
    2. (OPTIONAL) Differenzieren Sie die HL-60-Zellen in einem vollständigen IMDM-Medium mit 1,25% DMSO bei einer Anfangsdichte von 2 x 105 Zellen/ml. Inkubieren Sie Zellen, um für 5-6 Tage am aktivsten zu sein.
    3. Nehmen Sie eine Probe (1-2 ml) aus der Zellsuspension und Zentrifuge (200 x g, 3 min), um die Zellen zu pelletieren.
    4. Entfernen Sie das Medium und resuspendieren Sie die Zellen vorsichtig in 500 μL des Walzpuffers. Wiederholen Sie den Waschschritt zweimal, um Zellablagerungen zu entfernen.
    5. Messen Sie die Zelldichte mit einem Hämozytometer. Resuspendieren Sie die Zellpellets mit rollendem Puffer auf eine Dichte von 2 x 105 Zellen/ml.
    6. Trennen Sie den Schlauch vorsichtig von den Einlässen/Auslässen und pipettieren Sie 40 μL der Zellsuspension in die Durchflusskammer. Schließen Sie den Schlauch wie zuvor beschrieben wieder an und stellen Sie sicher, dass keine Blasen in den Strömungskanal eingeführt werden.
    7. Beginnen Sie das Zellwalzexperiment, indem Sie die Spritzenpumpe mit den gewünschten Durchflussraten starten.
      HINWEIS: Die Intensität der Fluoreszenzspuren hängt von der Scherspannung ab, und eine geringere Zellgeschwindigkeitsscherspannung /Zellgeschwindigkeit erzeugt im Allgemeinen dunklere Spuren (Abbildung 4A). Vermeiden Sie eine hohe Zelldichte auf der Oberfläche oder eine übermäßige Rolldauer, um trennbare Einzelzellspuren zu gewährleisten (Abbildung 4B,C).
    8. Verwenden Sie ein Dunkelfeldmikroskop mit einem 10-fachen Objektiv, um sicherzustellen, dass das Zellrollen beobachtet wird.
    9. Sobald das Experiment abgeschlossen ist, entfernen Sie die Zellen aus dem Kanal, indem Sie den Walzpuffer mit 100 ml / h infundieren, bis die Oberfläche zellfrei ist.
  3. Imaging local tracks by "DNA-based Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography" (DNA-PAINT)
    1. 40 μL DNA-PAINT Imager-Strang (500 pM) in DNA-PAINT-Puffer (0,05% Tween-20, 5 mM Tris, 75 mM MgCl2, 1 mM EDTA) in den Kanal geben.
    2. Führen Sie eine TIRF-Mikroskopie (Total Internal Reflection Fluorescence) mit einer 100-fachen ÖLimmersions-TIRF-Objektivlinse durch. Erfassen Sie mehr als 40000 Bilder mit 25 ms Belichtungszeit pro Bild bei einer Elektronenmultiplikationsverstärkung (EM) von 300 mit einer EMCCD-Kamera (Electron-multiplying charge-coupled device).
    3. Verwenden Sie Picasso-Softwarepaket17 , um die hochauflösenden Bilder (Abbildung 4D) gemäß den Schritten 5.3.4-5.3.5 zu lokalisieren und zu rendern.
    4. Laden Sie den DNA-PAINT-Film in das Localize-Programm, um die Lokalisierung jedes Fluorophors in jedem Frame zu bestimmen.
      HINWEIS: Optimieren Sie die Boxseitenlänge und die Min. Net Gradient-Parameter, bis nur noch Fluorophore genau verfolgt werden. Min. Der Nettogradientenparameter kann oft über 100000 gehen, um eine optimale Verfolgung zu erreichen. Passformeinstellung: MLE, integrierte Gaußsche Methode liefert das beste Ergebnis. Wenn der Film zu lang ist, teilen Sie ihn in Stapel von 10000 Bildern auf, damit die Vorschauverfolgung in Localize ordnungsgemäß funktioniert, bevor Sie sie zu einer endgültigen hdf5-Datei neu kombinieren.
    5. Laden Sie dann die resultierende hdf5-Datei in das Render-Programm, um Driftkorrektur und Rendering durchzuführen.
      HINWEIS: Führen Sie mehrere Driftkorrekturen über Undrift by RCC durch , um das Endergebnis zu verbessern.
  4. Abbildung langer Spuren durch permanente Beschriftung
    1. Fügen Sie den permanenten Imager-Strang hinzu und inkubieren Sie für 120 s im T50M5-Puffer. Waschen Sie den Kanal, indem Sie 200 μL Waschpuffer infundieren.
    2. Nehmen Sie ein Bild mit ausgeschaltetem Anregungslaser auf, um Hintergrundrauschen der Kamera zu erhalten. Stellen Sie eine große Fläche in einem Gittermuster mit TIRF-Mikroskopie dar.
      HINWEIS: Für das anschließende Stitching wird eine Frame-over-Frame-Überlappung von ≥10% empfohlen.
    3. Programmieren Sie das Mikroskop so, dass es über die Fläche von 400 x 50 Bildern (insgesamt 20000 Bilder) scannt. Teilen Sie die Rohdaten mit dem FIJI-Programm in einzelne TIFF-Dateien auf, die jeweils maximal 10000 Bilder enthalten.
    4. Reduzieren Sie alle Bilder mithilfe des Beleuchtungsprofils (Abbildung 3A-C) gemäß den Schritten 5.4.5-5.4.7.
    5. Subtrahieren Sie das Hintergrundrauschen der Kamera von jedem Bild. Erhalten Sie die mittlere Stapelprojektion (Beleuchtungsprofil) jedes hintergrundsubtrahierten Frames.
    6. Normalisieren Sie das Beleuchtungsprofil durch seinen maximalwert. Teilen Sie jeden hintergrundsubtrahierten Frame durch das normalisierte Beleuchtungsprofil.
    7. Skalieren Sie die korrigierten Frames auf den entsprechenden Bereich für die entsprechende Bittiefe.
    8. Verwenden Sie MIST18, um die Bilder zu stitchen (Abbildung 3D,E).

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Ergebnisse

Das obige Protokoll beschreibt das experimentelle Verfahren des Adhäsion Footprint Assays. Der allgemeine Experimentablauf ist in Abbildung 1 dargestellt, von der Durchflusskammeranordnung (Abbildung 1A) über die Oberflächenfunktionalisierung (Abbildung 1B) bis hin zu den Experiment- und Bildgebungsschritten (Abbildung 1C).

Abbildung 2 ist ein re...

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Diskussion

Der Adhäsions-Footprint-Assay ermöglicht die Visualisierung der molekularen Adhäsionsereignisse zwischen PSGL-1 und P-Selektin während der Zellrollenadhäsion. Dieser Prozess wird durch P-Selektin-vermittelte Erfassung eingeleitet, gefolgt von einem Walzen unter fluidischer Scherspannung. Mögliche Probleme während des Experiments beinhalten in der Regel ein schlechtes Zellrollen oder fehlende fluoreszierende Spuren, selbst wenn die Zellen gut rollen. Diese Probleme resultieren häufig aus Qualitätskontrollen an den kritisc...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde von der Canada Foundation of Innovation (CFI 35492), dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Discovery Grant (RGPIN-2017-04407), dem New Frontiers in Research Fund (NFRFE-2018-00969), der Michael Smith Foundation for Health Research (SCH-2020-0559) und dem University of British Columbia Eminence Fund unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
4-Kanal-BohrschabloneMaßanfertigung3D-gedruckt mit ABS-Filament
4-Loch-Schiene, Maßanfertigung: Bohren Sie saubere Mikroskopschiene mit einem Dremel mit diamantbeschichteten Bohrern auf einer 4-Kanal-Bohrführung, deren Layout mit den Zentren der 8-32 Gewindelöcher an der Aluminiumklemme übereinstimmt.
AcetonVWRBDH1101-4LP
Acryl AbstandhalterSonderanfertigungSchneiden Sie zwei Blöcke Acrylplatten mit den Maßen 40 mm x 30 mm x 2,5 mm. Bohren Sie auf jedem Block zwei 3-mm-Löcher, die genau mit den 4-40 Löchern auf dem Aluminiumhalter ausgerichtet sind.
SonderanfertigungMaschinenförmiger eloxierter Aluminiumblock zu einem C-förmigen Halter mit den Außenmaßen von 640 mm x 500 mm x 65 mm und den Öffnungsmaßen 400 mm x 380 mm x 65 mm. Ein- und Auslässe sind mit 8-32 Gewinde versehen.
AminosilanAlfaAesarL14043CAS 1760-24-3
Antibiotische / antimykotische LösungCytiva HyCloneSV3007901Pen/Strepto/Fungiezone
Beads, ProtG beschichtetes PolystyrolSpherotechPGP-60-5
RinderserumalbuminVWR332
Puffer, DNA PAINT0,05% Tween-20, 5 mM Tris, 75 mM MgCl2, 1 mM EDTA-Puffer
, T50M510mM Tris, 50 mM NaCl, 5 mM MgCl2
Puffer, RollierenderHBSS mit 2 mM CaCl2, 2 mM MgCl2, 10 mM Hepes, 0,1% BSA-Puffer
, Wash10 mM Tris, 50 mM NaCl, 5 mM MgCl2 und 2 mM CaCl2, 0,05% Tween 20
CalciumchloridVWRBDH9224
ZellkulturflaschenVWR10062-868
Konzentrierte SchwefelsäureVWRBDH3072-2,5LG95-98%
Deckglas-HaltepinzetteTechni-Tool758TW150
Diamantbeschichteter Bohrer BitsSchleiftechnologieC52505100,75 mm Diamantbohrer-DNA
, Amin-ssDNA (oberer Strang)IDT DNACustom OligoCCGGGCGACGCAGGAGGG /3AmMO/
DNA, biotin-ssDNA (unterer Strang)IDT DNACustom oligo/5BiotinTEG/ TTTTT CCCTCCTGCGTCCCCGG
DNA, Imager-Strang für DNA-PAINTIDT DNACustomoligo GAGGGAAA TT/3Cy3Sp/
DNA, Imager-Strang für die dauerhafte MarkierungIDT DNACustom oligoCCGGGCGACGCAGG /3Cy3Sp/
Doppelseitiges KlebebandScotch2373/4 Zoll Breite, permanentes doppelseitiges Klebeband
EDTAThermofisher155750200,5 M EDTA, pH 8,0
EpoxyGorilla420015 Minuten Aushärtungszeit
Fötales Rinderserum (FBS)Avantor97068-085
GelGreenBiotium41005
EisessigVWRBDH3094-2.5LG
Glas, DeckgläserFisher Scientific12-548-5P
Glas, ObjektträgerVWR48300-02675 mm x 25 mm x 1 mm
Glas, FärbeglasVWR74830-150Wheaton Färbeglas (900620)
Hanks' Balanced Salt Solution (HBSS)Lonza04-315Q
HämozytometerSigma-AldrichZ359629-1EA
HL-60 ZellenATCCCCL-240
Feuchtekammer-ObjektträgerhalterungMaßgeschneiderte3D-gedruckt mit ABS-Filament
WasserstoffperoxidVWRBDH7690-130%
ImidazolSigma-AldrichI2399
Einlässe/AuslässeSonderanfertigungenBohren Sie mit Kobaltbohrern durch acht Stellschrauben 8-32. Einsatz 1,5 cm  Polyethylenschlauch (Tygon, I.D. 1/32" O.D. 3/32") in jede hohle Stellschraube
Iscove Modified Dulbecco Media (IMDM)Lonza12-722F
MagnesiumchloridVWRBDH9244
Magnetische Ni-NTA-KügelchenInvitrogen10103D
VersandhülsenEMSEMS71406-10
MethanolVWRBDH1135-4LP
Micro Bio-Spin P-6 GelsäulenBiorad7326200In SSC Puffer
PEGLaysan BioMPEG-SVA-5000
PEG-BiotinLaysan BioBiotin-PEG-SVA-5000
KaliumhydroxidVWR470302-132
Protein, Protein GAbcamab155724N-Terminus His-Tag und C-Terminus
Cysteinprotein, P-Selektin-FcR& D-System137-PSRekombinantes humanes P-Selectin/CD62P Fc-Chimärenprotein,
CF-Protein, StreptavidinCedarlanCL1005-01-5MG
PumpenspritzeHarvard-Gerät704801
NatriumbicarbonatWard' s Science470302-444
NatriumchloridVWR97061-274
Sulfo-SMCCThermofisher22322
Spritze Hamilton81520Spritzen mit PTFE-Luer-Lock, 5 mL
SpritzennadelnBD305115Precision Glide 26 G, 5/8 Zoll Länge
TCEPSigma-AldrichC4706-2G
TrisVWRBDH4502-500GP
Schlauch, AdapterTygonABW00001Formulierung 3350, Innendurchmesser 1/32"; Außendurchmesser 3/32"
Schlauch, PolyethylenBD Intramedic427406Intramedic (PE20) Innendurchmesser 0,38 mm; Außendurchmesser 1,09 mm
Tween-20Sigma-Aldrich93773
: , ,

Referenzen

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