מאמר שיטה

מערכת פשוטה לסלולרי הערכת Mechanosensing וDurotaxis במבחנה

DOI:

10.3791/52949

⸱

27 באוגוסט 2015

 ,  , 
1Department of Cell & Developmental Biology, SUNY Upstate Medical University

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

תאי יונקים רבים מעדיפים לנדוד לעבר מטריצה או מצע נוקשה יותר באמצעות דורוטקסיס. מטרת פרוטוקול זה היא לספק מערכת חוץ גופית פשוטה שניתן להשתמש בה כדי לחקור ולתפעל התנהגויות דורוטקסיס של תאים על ידי שילוב מצעי פולידימתילסילוקסן (PDMS) בעלי קשיחות מוגדרת, המתממשקים עם כיסויי זכוכית.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מאפייני הרכב ומכאני של מטריקס הם משתנה מאוד בין סוגי רקמות. גיוון זה חיבור סטרומה הרקמה מאוד תא השפעות התנהגות להסדיר תהליכים נורמלים ופתולוגיים כוללים התפשטות תאים, התמיינות, איתות הידבקות והגירה כיוונית. בהקשר זה, היכולת המולדת של סוגים מסוימים של תאים לנדוד לכיוון מצע מטריצה ​​נוקשה, פחות או תואם נקרא durotaxis. תופעה זו ממלאת תפקיד חשוב בהתפתחות עוברית, תיקון פצע ופלישה של תאים סרטניים. כאן אנו מתארים assay פשוט ללמוד durotaxis, במבחנה, באמצעות polydimethylsiloxane מצעים (PDMS). הכנת תאר durotaxis תאים יוצרת ממשק בין נוקשות ג'ל PDMS הרך יחסית וcoverslip זכוכית נוקשה. בדוגמא בתנאי, השתמשנו תאי durotaxis אלה להפגין תפקיד לCdc42 הגנה של מחזור / Rac1 GTPase הפעלהב, cdGAP, בmechanosensing וdurotaxis רגולציה בתאי אוסטאוסרקומה U2OS אנושיים. assay זה הוא בקלות להתאמה לסוגי תאים אחרים ו / או מציאה של חלבונים אחרים של אינטרסים לחקור התפקידים שלהם בmechanosignaling וdurotaxis.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מטריקס (ECM) מורכב ממערך מורכב של חלבונים מבניים וcrosslinking כולל קולגן, פיברונקטין וlaminin. למרות שזה מבוסס היטב כי ECM מספק תמיכה מבנית חשובה לרקמות סלולריות, יש ראיות גוברים למצביעות על כך שתאים באופן פעיל להגיב לשינויים פיזיים בסביבת ECM להסדיר תהליכים תאיים שונים כולל הישרדות תא, התמיינות ונדידת תאים. לדוגמא, הבדלים בקשיחות של ECM יכולים לנהוג בתאי גזע mesenchymal כלפי שושלות שונות, עם מצעים רכים (~ 1 kPa) קידום שושלות עצביות בעוד מצעים נוקשה (~ 25 kPa) לקדם בידול osteogenic 1. כמו כן, עלייה בקשיחות מטריצת סטרומה הוכחה לקדם tumorigenesis החלב אפיתל תאים ופלישה ל2,3 הרקמה הסובב.

היבט מעניין במיוחד של mechanosign זהתוצאות פעילות aling בתהליך המכונה durotaxis, שבו תאים לנדוד מועדף כלפי מצע קשיח יותר 4,5. תאים לחוש כל הזמן את המאפיינים הפיזיים של הסביבה תאית שלהם באמצעות קולט integrin מחייבים את ECM. זה, בתורו, מקדם את ההצטברות של חלבונים מבניים ואיתות רבים לתחומים cytoplasmic לנהוג ההיווצרות של מבנים דבקים הידועים כהידבקויות מוקד או אנשי קשר מוקדי 6,7. מאז יש לי integrins אין פעילות האנזימטית טבועה, אותות מועברים מECM דרך חלבוני אבזר אלה כדי לתאם את התגובה של התא לסביבה המשתנה שלהם 8. בהתאם לכך, זיהוי והאפיון של חלבוני מפתח מעורבים בויסות mechanosignaling וdurotaxis הוא אזור חשוב של חקירה.

מערכות מודל שונות פותחו כדי ללמוד durotaxis במבחנה, אך רוב יש לימצעים מנוצלים מצופה קולגן polyacrylamide 4. עם זאת, ההכנה של מצעי polyacrylamide יכולה להיות מאתגרת מבחינה טכנית וקולגן המשמש במבחנים אלה חייב להיות כימיים crosslinked למצע 9. Polydimethylsiloxane מצעים (PDMS) הוכחו תערוכה תכונות מכאניות דומות למצעי polyacrylamide 10. עם זאת, מצעי PDMS מוכנים על ידי ערבוב פשוט יחס של הבסיס לcrosslinker ויכולים להיות מצופים מצעים אלה עם חלבוני ECM ללא הצורך בcrosslinking הכימי, ובכך PDMS כלי קל יותר לחקור את ההשפעות של נוקשות בהתנהגות תא. בזאת, אנו מתארים כיצד להכין קאמרי durotaxis פשוט שבמצע PDMS רך משולב עם coverslip זכוכית נוקשה.

Assay, כמפורט להלן, מספק שיטה מהירה ופשוטה ללמוד durotaxis. במחקר זה השתמשנו בתאים אנושיים אוסטאוסרקומה U2OS בשילוב עם תיווך siRNAמציאה של cdGAP כדי ללמוד את התפקיד של חלבון הידבקות מוקד זה בdurotaxis 11. חשוב לציין, פרוטוקול זה ניתן להתאים בקלות לדרישות פרט. סוגי תאים אחרים יכולים להחליף את תאי U2OS וכל חלבון יכול להיות הפיל או ביטוי יתר כדי לקבוע את ההשפעות על התנהגות תא במהלך durotaxis. יתר על כן, פרוטוקול זה יכול להיות מותאם לשלב חלבונים מתויגים fluorescently לנתח את הדינמיקה שלהם וFRAP באמצעות התנהגות או סריג גישות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנת לשכות Durotaxis

  1. כדי להכין צלחת תרבית רקמת 6-גם אחד, הטרה האיזון עם צינור חרוטי 50 מ"ל. לשקול את כ -10 גרם של פתרון PDMS הבסיס בצינור 50 מ"ל (הפתרון הוא די צמיג).
  2. ל90: מצע 1 (Compliance של ~ 1 kPa), לחלק את המשקל שנמדד של פתרון בסיס PDMS בצינור ב -90 כדי לקבוע את הסכום הנכון של פתרון crosslinker צורך. מוסיף את הכמות המחושבת של פתרון crosslinker PDMS לאותו צינור.
    לדוגמא: 10 גר '/ 90 = 0.11 גרם. להוסיף 0.11 גרם של פתרון crosslinker PDMS לפתרון בסיס PDMS.
    הערה: פתרונות הבסיס וcrosslinker שניהם מסופקים בערכת PDMS.
  3. במרץ לערבב את תערובת הבסיס / crosslinker PDMS 5 דקות בRT בעזרת מרית קטנה. בשלב זה התערובת תכיל מספר רב של בועות אוויר.
  4. צנטריפוגה מצע PDMS בצנטריפוגה benchtop במשך 5 דקות ב 50 XG ב RT להסיר את bubbles. אם עדיין יש בועות לאחר 5 דקות, צנטריפוגות שוב.
  5. 1 פיפטה מיליליטר של 90: 1 מצע PDMS לבאר כל תרבית הרקמה שטופל 6-גם צלחת. ניתן לבטל את כל בועות אוויר שנותרו כיום בPDMS בשלב זה על ידי פקיעתם באמצעות מחט 21 G. לאפשר PDMS להפיץ למשך 30 דקות בבאר.
  6. רתיחה # זכוכית 12 מ"מ 1 coverslips במים מזוקקים למשך 5 דקות. חזור על שתי פעמים ולאחסן את coverslips במים מזוקקים.
  7. מקום אחד coverslip מיובש, לבאר כל צלחת תרבית הרקמה על ידי בעדינות נוגע בצד אחד של coverslip לפתרון PDMS לאחר מכן שחרר את coverslip PDMS. כcoverslip מתיישב, PDMS יתחיל לנגוס על הקצוות של coverslip, אבל לא יכסה אותו לחלוטין. זה יפיק ממשק בין PDMS והזכוכית לאחר הריפוי (ראה איור 1 א ', ב').
  8. דגירה את הצלחת על 70 מעלות צלזיוס בתנור במשך 16 שעות כדי לרפא (להקשיח) PDMS. מניחים את פלאטדואר בשכונת תרבות התא וUV לעקר במשך 10 דקות.
    הערה: עדיף לעשות את הצלחות בתוך כמה ימים של שימוש. עם זאת, הצלחות יכולות להיות עטופות בParafilm ללא כל חיץ ומאוחסנות ב 4 מעלות צלזיוס עד 2 שבועות ללא כל ירידה מורגשת באיכות.

2. תא ציפוי

הערה: אם בוחן את ההשפעה של מציאה בתיווך siRNA, לבצע את מציאה באמצעות הוראות היצרן או הפרוטוקול מותאם לסוג התא של בחירה.

  1. מעיל כל durotaxis קאמרי עם 1 מיליליטר של 10 מיקרוגרם / מיליליטר פיברונקטין בPBS ללא סידן ומגנזיום לשעה 1 על 37 מעלות צלזיוס. לחלופין, פיברונקטין ניתן להחיל היום לפני ניתוח על ידי דוגרים PDMS עם 10 מיקרוגרם / מיליליטר פיברונקטין בPBS במשך 16 שעות על 4 מעלות צלזיוס. ודא את כל פני השטח הוא שקוע בפיברונקטין בפתרון PBS.
  2. הכן BSA 1% חום מפוגל. שוקל 0.5 גרם BSA ולפזר אותו ב 50 מיליליטר של PBS.סנן לעקר את הפתרון דרך פילטר וחום 0.22 מיקרומטר על 80 מעלות צלזיוס למשך 12 דקות.
    הערה: הכן את הפתרון הזה ביום שלפני תא ציפוי ולאחסן ב 4 מעלות צלזיוס.
  3. לשאוב את פתרון פיברונקטין ולשטוף 3 פעמים עם PBS. הוסף 1 מיליליטר של BSA-מפוגל חום בPBS לכל היטב דגירה במשך 30 דקות ב RT.
  4. Trypsinize ולספור תאים של בחירה תוך תאי durotaxis חוסמים עם BSA החום מפוגל.
  5. צלחת 1 x 10 5 תאים בנפח של 2 מיליליטר לכל טוב של חדר durotaxis, באמצעות התקשורת הנדרשת לסוג תא המסוים של בחירה. אפשר התאים לדבוק ולהתפשט על המצע במשך 4 שעות בחממה humidified על 37 מעלות צלזיוס עם 5% CO 2.
    הערה: תאי U2OS נשמרים באופן שיגרתי בDMEM עם 10% FBS, בתוספת L- גלוטמין 2 מ"מ, פירובט נתרן 1 מ"מ, ו -10 IU / פניצילין מיליליטר, 10 מיקרוגרם / מיליליטר סטרפטומיצין.
    הערה: מספר התאים המשמש בדוגמא זו היא מותאמת לתאי U2OS. ייתכן שתהיה צורך אופטימיזציה לסוגי תאים אחרים. צפיפות זה נותנת את התאים מספיק מקום להעביר ללא אינטראקציות משמעותיות עם תאים אחרים.

הדמיה 3. Live- תא

  1. לבצע הדמיה תא חי על מיקרוסקופ הפוכה, באמצעות ניגוד שלב עם מטרת 10X. מיקרוסקופ צריך להיות מצויד עם תא humidified, סגור סביבתי, המאפשר שליטה על הטמפרטורה על 37 מעלות צלזיוס, 5% CO 2 במהלך הדמיה לטווח ארוך.
  2. אחרי התאים התפשטו לכ 3.5 שעות, להרכיב את הצלחת בתא מיקרוסקופ. לאפשר המדגם (ים) לאזן בתא למשך 30 דקות.
  3. הגדר את ריבוי נקודות אוטומטיות, ביקור במיקרוסקופ אם זמין. דגש על הממשק שבין 90: 1 PDMS וcoverslip הזכוכית ולבחור נקודות לתמונה בכל רחבי הממשק עם ממוצע של 40 נקודות לdurotaxis קאמרית. תמונת התאים כל 10 דקות עד 16 שעות.
    הערה: מחדשגיון של עניין יופיע כשני קווים, עם הקו החיצוני המקביל לקצה של coverslip והקו הפנימי המקביל לממשק בפועל בין PDMS וcoverslip. ראה איור 1.

ניתוח נתונים 4.

  1. צור גיליון אלקטרוני כמו בטבלה 1.
  2. לספור את מספר אירועי מעבר מPDMS למשטח הזכוכית ולהיפך מכל סרט שנוצר. רשום את מספר אירועי מעבר בעמודה המתאימה בגיליון האלקטרוני Excel.
    הערה: אירוע מעבר מוגדר כגרעין התא עובר על הגבול בין PDMS והזכוכית בכל כיוון.
  3. כדי לכמת מעברים מרובים, לספור את מספר הפעמים שהתא חצה את הממשק. מספר זה צריך להיות מוקלט בעמודת Excel המתאימה למצע שעליו התא היה ממוקם בסוף הסרט. חזור על הניתוח לכל תא שחוצה את הממשק בtסרטו. תכלול תאים שנודדים משדה הראייה במהלך הדמיה.
    הערה: חשוב גם כדי לוודא, על ידי תא לספור בתחילת הניסוי, שהתאים מסוגלים לדבוק באותה מידה לPDMS מצופה פיברונקטין ומשטחי הזכוכית coverslip.
  4. לחשב את אחוז התאים שהגרו מPDMS למשטח הזכוכית (כלומר, עבר durotaxis). הוסף את מספר חציית אירועים מרכים לקשה ואירועי המעבר המרובים שהסתיימו ביום קשה ולחלק במספר הכולל של אירועי מעבר.
  5. חישוב אחוזי המעברים מרובים על ידי חלוקת מספר המעברים מרובים במספר הכולל של מעברים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

סכמטי של תא durotaxis מוצג באיור 1 א. מצע PDMS רך (90: תערובת 1 של בסיס PDMS לcrosslinker פתרונות) היא להפיץ בצלחת 6 היטב וcoverslip זכוכית מונח על גבי PDMS, אשר לאחר מכן באופן חלקי מכסה את פני השטח העליונים של coverslip, ובכך ליצור ממשק בין שני מצעים של ציות שונה. הקשיחות של מצע PDMS הרך היא ~ 1 kPa, אשר ניתן להשוות העמידה הטיפוסית של רקמת המוח, ואילו את הנוקשות של זכוכית היא סביב 1-2 1 GPA. תמונה בניגוד שלב של הממשק בין PDMS והזכוכית מוצגת על ידי ראשי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

במסמך זה אנו מתארים assay פשוט ללמוד durotaxis בתאים נודדים. כוח עיקרי של assay זה הוא הקלות של הכנת תאי durotaxis באמצעות PDMS. הנוקשות של מצעים ניתן להשפיע בקלות על ידי שינוי היחס של פתרון בסיס PDMS לcrosslinker כדי לאפשר המחקר של קשיחויות שונות בassay. עם זאת, הגבלת פוטנציאל אחד של המערכת היא שתאים נחשפים רק לשינוי יחיד בקשיחות מצע בניגוד לחווה שיפוע נוקשות המסופק על ידי מערכות מתוחכמות יותר 4. חשוב לציין, שלא כמו מצעי polyacrylamide, רכיבי ECM לא צריכים להיות כימי צ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין קונפליקטים לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו נתמכת על ידי NIH R01 GM47607, CA163296 וNSF 1,334,493 למטח. אנו מודים לחברי המעבדה טרנר לקריאה ביקורתית של כתב היד. כל הנתונים שמוצגים בדוח זה היו מיוצרים באישור וורמר et al. 2,014 11.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
פולידימתילסילוקסן (PDMS)Dow Corning3097358-1004Sylgard 184 ערכת אלסטומר סיליקון
#1 כיסוי זכוכית 12 מ"מפישר סיינטיפיק12-545-82
צלחת 6 בארותCelltreat229106
DMEMCellgro15-017-CM
L-גלוטמיןCellgro25-005-CI
נתרן PyruvateFisher ScientificBP356-100
פניצילין/סטרפטומיציןCellgro30-002-CI
פיברונקטיןBD Biosciences610077
PBSInvitrogen21600-044
שפופרות בזCelltreat229456
סרום בקר עובריAtlanta BiologicalsS11150
סרום בקר אלבומיןסיגמאA7906
תאי U2OSATCCHTB-96

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Engler, A. J., Sen, S., Sweeney, H. L., Discher, D. E. Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell. 126 (4), 677-689 (2006).
  2. Paszek, M. J., et al. Tensional homeostasis and the malignant phenotype. Cancer Cell. 8 (3), 241-254 (2005).
  3. Levental, K. R., et al. Matrix crosslinking forces tumor progression by enhancing integrin signaling. Cell. 139 (5), 891-906 (2009).
  4. Lo, C. M., Wang, H. B., Dembo, M., Wang, Y. L. Cell movement is guided by the rigidity of the substrate. Biophysical Journal. 79 (1), 144-152 (2000).
  5. Plotnikov, S. V., Waterman, C. M. Guiding cell migration by tugging. Current Opinion in Cell Biology. 25 (5), 619-626 (2013).
  6. Choquet, D., Felsenfeld, D. P., Sheetz, M. P. Extracellular matrix rigidity causes strengthening of integrin-cytoskeleton linkages. Cell. 88 (1), 39-48 (1997).
  7. Balaban, N. Q., et al. Force and focal adhesion assembly: a close relationship studied using elastic micropatterned substrates. Nature Cell Biology. 3 (5), 466-472 (2001).
  8. Provenzano, P. P., Keely, P. J. Mechanical signaling through the cytoskeleton regulates cell proliferation by coordinated focal adhesion and Rho GTPase signaling. Journal of Cell Science. 124 (8), 1195-1205 (2011).
  9. Wang, Y. L., Pelham, R. J. Preparation of a flexible, porous polyacrylamide substrate for mechanical studies of cultured cells. Methods in Enzymology. 298, 489-496 (1998).
  10. Prager-Khoutorsky, M., et al. Fibroblast polarization is a matrix-rigidity-dependent process controlled by focal adhesion mechanosensing. Nature Cell Biology. 13 (12), 1457-1465 (2011).
  11. Wormer, D. B., Davis, K. A., Henderson, J. H., Turner, C. E. The focal adhesion-localized CdGAP regulates matrix rigidity sensing and durotaxis. PloS ONE. 9 (3), e91815(2014).
  12. Trichet, L., et al. Evidence of a large-scale mechanosensing mechanism for cellular adaptation to substrate stiffness. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (18), 6933-6938 (2012).
  13. Eyckmans, J., Boudou, T., Yu, X., Chen, C. S. A hitchhiker’s guide to mechanobiology. Developmental Cell. 21 (1), 35-47 (2011).
  14. Martinac, B. Mechanosensitive ion channels: molecules of mechanotransduction. Journal of Cell Science. 117 (12), 2449-2460 (2004).
  15. Jafar-Nejad, H., et al. Sec15, a component of the exocyst, promotes notch signaling during the asymmetric division of Drosophila sensory organ precursors. Developmental Cell. 9 (3), 351-363 (2005).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Durotaxis AssayPDMS SubstratesCell MechanosensingRigidity InterfaceLive Cell ImagingFibronectin CoatingU2OS CellsCDGAP KnockdownCrossing EventsSoft Hard Substrate

מאמרים קשורים