我々は、この資料に複雑な異方性軸の機械的変形に単一細胞応答を調査し、生物学的組織の機械的特性を定量化するために使用することができる新規な延伸プラットフォームを提示する。
方法論記事
我々は、この資料に複雑な異方性軸の機械的変形に単一細胞応答を調査し、生物学的組織の機械的特性を定量化するために使用することができる新規な延伸プラットフォームを提示する。
細胞や組織、またはそれに機械的な力の適用は、生体組織の機械的特性を定量化することができるためのツールは、基本的なメカノの理解に劇的に貢献してきた。これらの技術は、広く様々な疾患の発症および進行を頻繁に機械的な手がかりの影響を受けているかを示すために使用されている。この記事では、機械的に、単一の細胞を刺激するか、組織の機械的剛性を定量化するか多機能二軸延伸(BAXS)プラットフォームを提供します。 BAXSプラットフォームは独立して制御することができる4つのボイスコイルモータで構成されている。単一細胞ひとつ、複雑な動的、および空間的に変化する歪み場に細胞を露出することを可能にモータに取り付けることができるフレキシブル基板上に培養することができる。逆に、力ロードセルを組み込むことによって、人はまた、それらが変形サイクルにさらされているように、一次組織の機械的特性を定量化することができる。両方の場合において、クランプの適切なセットを設計しなければならないし、しっかりとフレキシブル基板または目的の組織を保持するためにBAXSプラットフォームモータに取り付けられた。 BAXSプラットフォームは、延伸実験の間、試料の構造的または生化学的反応を調べるために同時の透過光および/または蛍光イメージングを実行するために倒立顕微鏡に装着することができる。この記事ではBAXSプラットフォームの設計と使用法の実験の詳細を提供し、単一の細胞や組織全体の研究の結果を提示します。 BAXSプラットフォームは、歪みを基板へと単離したマウス大動脈の剛性を測定するために応じて、単一のマウス筋芽細胞における核の変形を測定するために使用した。 BAXSプラットフォームは、細胞内、細胞および全組織レベルでの新たなmechanobiologicalな洞察を提供するために、様々な光学顕微鏡法と組み合わせることができる汎用性の高いツールです。
機械的な微小環境は、組織の発生及び恒常性にし、また疾患1-6に大きな影響を与えるような、増殖、遊走、および分化のような多くの細胞機能において重要な役割を果たしている。長年にわたって、多数の実験的なツールは、機械的に細胞または組織を刺激し、基本的なメカノの我々の理解を高め、疾患6-17の発症および進行を研究することを目的として生体組織の機械的特性を測定するために使用されてきた。しかし、一つは、多くの場合、特定の研究の目標を達成するために、いくつかの異なる実験のデバイスに依存しなければならない。この記事では、機械的特性や機械的な力を全組織長さスケールに細胞内で生物学に果たす役割を調べる研究を可能にし、単一の、多機能、二軸延伸(BAXS)プラットフォームを提供します。 BAXSプラットフォームはquantificatioのためにできるだけでなく単離された組織の機械的特性のn個ではなく、単純に適用する能力を容易にし、複雑で、動的歪み場すなわちインビボで起こる延伸への応答を理解するために、生きた細胞である。 BAXSプラットフォームは、細胞や組織に機械的試験と摂動中に生細胞顕微鏡を実行する能力を維持している。
BAXSプラットフォームは、細胞レベルでの基板変形の影響を調査し、生物学的組織( 図1A)上に引張試験を行うために使用することができる特注の装置である。アルミニウムヒーターは、標準的な10cmのペトリ皿を収容し、温度制御器およびカプトンヒーター( 図1B)を用いて、37℃で、任意の生理学的溶液を維持するように作製した。このBAXSプラットフォームは、倒立位相差顕微鏡および/ または蛍光顕微鏡上に集積し、同時イメージング( 図1C)を可能にすることができる。要するに、BAXSプラットフォームは、可動部品が直交する二軸( 図1D)に沿って配向されたスライド軸受ミニチュア直動ボールに搭載された4本の直線状のボイスコイルモータで構成されている。線形位置決めステージ( 図1E)に使用されるクランプシステムの垂直移動を可能にするために4つのモータのそれぞれに取り付けられている。各モータの位置は、500nmの分解能( 図1F)を有する光学式エンコーダによって監視される。すべての4つのモータは、独立して動作コマンド( 図1G)を実行するための光学エンコーダフィードバックを用いたモーションコントローラで制御される。 LabVIEWのインターフェースは、細胞または組織試料の、完全にカスタマイズ可能な静的および動的変形を生成するために、変位量、速度、及び各モータの加速度を完全に制御できる。
細胞における変形を誘導するために使用される技術は、単にallowinにより達成されるG細胞は、しっかりと柔軟で透明基材に付着した後、BAXSプラットフォームの4つのモータを使用して、この基板を延伸。 BAXSプラットフォームは、ボイスコイルモータ基板を取り付けるクランプのいずれかのカスタム設計されたセットの装着を可能にする。この目的のために、我々は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)からなる可撓性透明基板は、( 図2A-C及び図3)を結合させることができるクランプのセットを設計した。クランプは生理学的溶液に暴露されるように、すべての部品は、滅菌を可能にするために、ステンレス鋼から機械加工した。これらのクランプは慎重に( 図2D)が延伸中に基板へのストレスを最小限に抑えつつ、画像品質を向上させるために顕微鏡対物レンズにできるだけ近接して基材をもたらすように設計されている。
同じBAXSプラットフォームは、ADAPとクランプの適切なセットを用いて、小さな組織試料の剛性を定量化するために使用することができるテッドは軍を監視するための組織サンプルとロードセルのためサポートしています。いくつかのアプローチがBAXSプラットフォームモータに組織をマウントするために撮影することができます。この場合には、ステンレス鋼昆虫minutiensピンは、引張試験( 図4A-B)を実行するために、血管組織の開口部を通してフックできる。代替的に、自然の開口部のない厚さの組織について、組織の縁部は、いずれかのボイスコイルモータに取り付けられた、または生物学的接着剤の小さなガラススライドに接着し、クランプでモータに取り付けられたクランプを所定の位置に保持することができる。引張りを行うために、小型ロードセルが必要とされるテストし、容易にBAXSプラットフォームモータに組み込ま延伸サイクル( 図4C)の間に組織に作用する力を測定するために使用することができる。 BAXSプラットフォームは4つのモータから構成されているように、第二のロードセルの導入は、いずれか2つの直交方向に沿って引張試験を行うことができる。この能力は、1がquantifすることができますYと同じ実験中の2つの垂直な方向に沿った単一組織の機械的剛性。
重要なことに、すべての構成で、目的の細胞または組織サンプルは、常にユーザがアクセス可能な恒温槽内に維持される。この能力は、試料の時間応答を調べるために、延伸試料中の薬理学的物質の導入を可能にする。倒立顕微鏡の光軸が遮られないままであるさらに、顕微鏡のすべての形態は、まだユーザーが使用できる。 BAXSプラットフォームのすべての4つのモータが独立しているように、最終的に、関心対象の試料に高度に構成可能な歪み場を適用することが可能である。 インビボ細胞および組織が 暴露された複合体とは対照的に、それはこのプラットフォームでは、より適切に模倣することができる延伸異方性伝統的な一軸延伸プラットフォーム7,13,15,18,19へ。また、物理的特性歪み場の実験中にオンザフライで変更することができる。これらの能力は、ユーザが時間的に非常に複雑な、異方性の広い数、および空間的に変化する歪み場に対する細胞および組織レベルの応答を調べることを可能にする。この記事では、利点と制限BAXSプラットフォームのだけでなく、その設計、動作原理、および単一セルおよび全組織実験のための実験の詳細を説明しています。

図1。BAXSプラットフォームの概要。 37℃Cで細胞および組織を維持するために使用ペトリ皿加熱ヒータのA)は、4つのボイスコイルモータを示すBAXSプラットフォームの上面図である。B)詳細ピクチャ)プラットフォームは、ライブを実行するために倒立顕微鏡に装着することができるストレッチ実験中の細胞イメージング。D)ボイスコイルモータの詳細な絵;プラットホームの可動部分。E)クランプシステムの垂直方向の変位を可能にする線形位置決めステージの詳細な絵。F)モーションコントローラにモータの実時間位置を提供する光学式エンコーダの詳細な絵。G)詳細画像4つの音声コイルモータ、4つの光エンコーダ入力および電力出力を示すモーションコントローラ。

図2。実験を伸ばすセル用のクランプシステム。基板は、そのアンカーfeaturとクランプの円筒部に巻き付けられる。C)を延伸するためのボイスコイルモータにPDMS基板を取り付けるために使用されるクランプの詳細を示すAB)の画像ES上部の溝に座って。次いで、基板を上部溝に特徴をアンカー/基質をプッシュ止めねじを用いて固定されている。クランプが所定の位置に基板を保持するとともにBAXSプラットフォームのD)イラストレーション。挿入図は、それだけでカバースリップと顕微鏡の対物レンズの上に座っているに付着した細胞を有する基板の詳細図を示す。

図3膜及びそのクランプシステムの部品表。細胞延伸実験を行うために二軸プラットフォームに集積主要部の寸法を示す図面。

図4。例クランプシステムの小口径血管の剛性評価のためのクランプシステムの十分。AB)の詳細な写真は直径1mm、マウスの大動脈の変形を誘導するために使用。ステンレス製のピンを慎重に船が両方のピンにスライドすることができるように、オープン三角形に成形した。固定されたモータと左クランプとの間に取り付け、容器とロードセルを保持するクランプを備えたBAXSプラットフォームのC)のイラスト。挿入図は、ピンの上に取り付けられた容器の詳細な平面図を示している。
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単一細胞の1。機械的変形
小口径血管の2。剛性測定
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図5。PDMS基板の製造および硬化の後、A)を搭載 、基板を慎重に、SU-8 2050金型から剥離し、シャーレに脇に置くされています。) は、PDMSで作られた機能を係留し、基板を固定するのに役立つクランプ4に搭載された基板の基板は、次いで、クランプホルダに取り付けられているクランプ4、(挿入図を参照)に取り付けられている。D)を取り付けるための準備機能を有する固定クランプ。C)基質。E)詳しい画像。F基板の下の溝に、PDMSを注ぐの)手順。矢印は、ゆっくりと、毛細管現象により溝を埋めるPDMSを示しています。
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図6。準備および胸部大動脈の単離A)の縦方向の腹部切開を通して手術器具や安楽死マウス。B)を製造、胸郭および肺のLOBが削除されます。C)大動脈を慎重に操作するために心を用いて除去される組織。D)に心臓と大動脈をクレブス生理的溶液に入れられる。大動脈は、すべての結合組織を除去して洗浄される。E)心臓および大動脈を示す詳細な絵。F厚さ測定に使用される小さなセグメントに沿って剛性評価のために使用される)大動脈セグメント。GH)正確な長さ(G)及び厚さ(H)各血管セグメントは、逆顕微鏡および分析プログラムを用いて評価される。
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細胞体を伸ばす
BAXSプラットフォームは、25%の基板変形に露出シングルマウス筋芽細胞(C2C12)における核の機械的応答を調べるために使用した。筋芽細胞は、筋肉組織に見出され、常に生体内で機械的伸張および圧縮に曝される。細胞核の形状及び機械的特性は、遺伝子発現および転写活性20,21の制御に、また、発達障害や、ハッチンソン-ギルフォード早老症症候群(HGPS)、エメリー等の種々の疾患において主要な役割を果たすことが示されている·ドレフュス型筋ジストロフィー(EDMD)、拡張型心筋症、早期老化やがん22〜25。そのため、外部の機械的微小環境からの力が核の構造と機能をどのように影響するか理解することは、極端な関心事である。 BAXSプラットフォームは、マイルからの力の伝達を調べたその長又は短軸に平行な基板を延伸することにより核にcroenvironment。 図7A-Fは、2つの直交する方向に沿って基板の変形を誘発するためのプラットフォームの機能を示...
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ここで紹介するBAXSプラットフォームは、組織全体に対する単一の細胞の調査から、メカノの研究に多くの実験を容易にします。また、プラットフォームは、多数の機械的刺激実験や多軸引張試験を可能にし、非常に柔軟で設定可能です。プラットフォームはまた、生理学的条件下で細胞および組織の維持を可能にし、延伸実験の間、同時顕微鏡検査を可能にする。取り付けクランプの適切なセットを使用するときに、前のセクションで説明2の実験はBAXSプラットフォームの汎用性を示しています。モジュラーとカスタマイズ可能なサンプルマウントシステム、光アクセスおよび追加のセンサ(例えば、ロードセル)を追加する可能性が、実行されるべき実験の追加のタイプのための多数の可能性を開く。
上記のプロトコルが実行されなければならない多くの重要な手順が含まれていますdequately最良の結果を生成するために。プロトコルを伸ばし、細胞内では、クランプに上のPDMS基板をマウントする繊細で正確な操作が要求されます。 PDMS基板はよく延伸時の基板の不要な横方向の動きを回避するために、...
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著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。
DTは、ル·フォン·ド·ルシェルシュ·デュ·ケベックネイチャーらテクノロジーズ(FQRNT)とMITACS昇格戦略的フェローシップからのポスドク学生の身分によってサポートされていました。 CMCは、ル·フォン·ド·ルシェルシュアンサンテ·デュ·ケベック(FRSQ)とアーネストオタワ心臓研究所の大学からマーガレットフォード心臓病恵まれ研究フェローシップからのポスドク学生の身分によってサポートされていました。 EOBは、オンタリオ州の心臓と脳卒中財団から健康の研究(CIHR)およびT6335のためのカナダの協会からの補助金のMOP80204を操作することでサポートされていました。 CIHRとメドトロニックは、集合の査読研究議長(URC#57093)でEOBを提供しています。 AEPは、自然科学と工学研究評議会(NSERC)ディスカバリーグラント、NSERC Discovery Acceleratorのサプリメントによって資金を供給し、感謝してカナダのリサーチチェア(CRC)プログラムとオンタリオ州からの早期リサーチャー賞のサポートを認めている。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| PDMS | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | このプロトコルで使用されるベースとクロスリンカーの比率は20:1です。ほこりがあなたの を汚染するのを防ぐために、層流フードを混ぜます。 |
| FluoSpheres 蛍光マイクロスフィア | Invitrogen | F8810 | 光を避けてください。 |
| リニアボイスコイル | Moticont | LVCM-051-051-01 | モトロは2つの部分(磁石とコイル)で提供されます。機能するには、ボールベアリングシステムに取り付ける必要があります。 |
| ボールベアリングスライド | エドモンド・オプティクス | NT37-360 | ミニチュア・スモール・リニア・モーション ボールベアリング・スライド |
| リニアポジショニングステージ | エドモンド・オプティクス | 38-960 | センタードライブ 1.25インチ スクエア リニア トランスレーションステージ |
| 光学式エンコーダ | GSI microEシステム | マーキュリーII 1600S-0.5um分解能 | 反射型インクリメンタルエンコーダ。 |
| モーションコントローラ | ガリル | DMC-2143(DIN)-DC48 AMP-20440 | 4軸コントローラ付き 4軸アンプ |
| ロードセル | ハネウェル社 | 製 31 低 | ミニチュアロードセル 0-150 g |
| 昆虫の微細なピン (0.20 mm) | ピン サービス Austerlitz 昆虫ピン | 開いた三角形の形に曲げられたステンレス鋼ピン | |
| SU-8 2050 | マイクロケム | SU-8 2050 | 永久エポキシネガフォトレジスト。熱や光から遠ざける |
| エアプラズマ処理システム | Glowresearch | Autoglow 酸素プラズマシステム | |
| ラットテールコラーゲン | Invitrogen | A10483-01 | コラーゲン I, ラットテール 5 mg/ml |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | R37605 | DNA特異的蛍光色素.冷蔵庫に保管してください。 |
| カプトン(ポリイミドフィルム)絶縁フレキシブルヒーター | omega.ca | KHLV-0504/(10)-P | 28Vフレキシブルヒーター、24V |
| 1/16 DIN Autotune Temperature and Process Controllers | omega.ca | CN63200-R1-LV | 温度コントローラー、24V供給 |
| DMEM培地 | Hyclone | SH3024301 | Dulbecco's モディファイド 30 イーグル ミディアム。4 ° に保ちます。C |
| ペニシリン-ストレプトマイシン | ハイクロン | SV30010 | 在庫を冷凍保存します。4°Cで作業溶液を維持します。 |
| ウシ胎児血清(FBS) | ハイクロン | SH3039603C | 冷凍保存します。 |
| トリプシン0.05% | ハイクロン | SH30236.02 | 保存。継代培養のための細胞付着タンパク質の消化 |
| Hepes | Wisent Inc | 330-050-EL | HEPES緩衝塩溶液 |
| NaCl | Fisher Scientific | BP358-1 | HEPES緩衝塩溶液 / クレブス生理液 |
| KCl | Fisher Scientific | BP366-500 | HEPES緩衝塩水 / クレブス生理液 |
| MgSO4 | Fisher Scientific | M65-500 | HEPES緩衝塩水 / クレブス生理液 |
| CaCl2 | フィッシャーサイエンティフィック | C614-500 | HEPES緩衝塩溶液 / クレブス生理液 |
| デキストロース | フィッシャーサイエンティフィック | BP220-1 | HEPES緩衝塩水 / クレブス生理液 |
| NaHCO3 | Fisher Scientific | BP328-1 | クレブス生理液 |
| KH2PO4 | >Fisher Scientific | BP362-500 | クレブス生理液 |
| カルボゲン95%O2/5%CO2 | Lindle | DIN:02154749 | クレブス生理液酸素化 |
| ノコダゾール | シグマ | M1404 | 小管解重合剤 |
| サイトカラシン-D | シグマ | C8273 | アクチンフィラメント解重合剤 |
| アンチアルファ;-SMA-FITC | Sigma | F3777 | 平滑筋細胞含有量の染色および定量に使用 |
| ピクロシリウスレッド染色 | フルーカ | 43665 | コラーゲン含有量の染色および定量に使用 |
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