細胞間の通信は、細胞内外の様々な生理活性を制御するために重要です。本稿では、単一細胞分泌物の時空間的な性質を測定するためのプロトコルについて説明します。これを達成するためには、学際的なアプローチは、生細胞イメージングとラベルフリーnanoplasmonic検知を統合が使用されます。
方法論記事
細胞間の通信は、細胞内外の様々な生理活性を制御するために重要です。本稿では、単一細胞分泌物の時空間的な性質を測定するためのプロトコルについて説明します。これを達成するためには、学際的なアプローチは、生細胞イメージングとラベルフリーnanoplasmonic検知を統合が使用されます。
細胞間通信は、基本的な細胞活動を維持するのに役立つ複雑なシステムの不可欠な部分です。その結果、このようなシグナル伝達の機能不全は、多くの障害につながる可能性があります。細胞間シグナル伝達を理解するためには、局所環境を乱すことなく、細胞から分泌される分子の空間的および時間的性質を研究することが不可欠です。タンパク質分泌を研究するためにさまざまなアッセイが開発されていますが、これらの方法は通常、関連するシグナル伝達経路を破壊する蛍光プローブに基づいています。この制限を克服するには、ラベルフリーの手法が必要です。
この論文では、単一細胞からのタンパク質分泌物を検出できるラベルフリーの局在表面プラズモン共鳴イメージング(LSPRi)技術の作製と応用について説明します。プラズモニックナノ構造は、標準的なガラスカバーガラス上にリソグラフィーでパターン化され、市販の光学顕微鏡で可視光を使用して励起できます。カバーガラスのごく一部のみがナノ構造で覆われているため、この技術は蛍光イメージングや明視野イメージングなどの一般的な技術を組み合わせるのに適しています。 >jove_content<このプロトコルでは、センサーのナノファブリケーションとその後の生物機能化、リガンドと分析物の結合速度論特性評価、チップと生細胞の統合、および測定されたシグナルの分析を組み込んだ学際的なアプローチが使用されています。全体として、この技術により、細胞分泌物をマッピングし、それらを近くの細胞の応答と相関させるための一般的なラベルフリーアプローチが可能になります。
細胞間の通信は、細胞の内側と外側の両方の多くの生理活性の調節のために不可欠です。タンパク質および小胞の様々なその後、このような分化、創傷治癒、免疫応答、遊走、および増殖などの複雑な細胞プロセスを誘発することが分泌され得る。細胞間シグナル伝達経路の1-5誤動作は、癌、アテローム性動脈硬化症を含む多くの疾患に関与しています、および糖尿病、いくつかの名前を付けます。
最適な細胞分泌アッセイは、空間的および時間的に関連するシグナル伝達経路に影響を与えることなく、目的の分泌タンパク質をマッピングすることができるべきです。このようにして、濃度プロファイルと受信細胞の応答との間の因果関係を推測することができます。残念ながら、最も一般的に使用される蛍光ベースの技術の多くは、これらの基準を満たしていません。蛍光融合タンパク質は、被検体Wをタグ付けするために使用することができセルをithinが、分泌経路を妨害することができ、又は分泌場合、定量化が困難である細胞外へ拡散グローをもたらします。蛍光immunosandwichベースのアッセイは、細胞分泌物を検出するために最も一般的に使用される技術であるが、典型的には個々の細胞の単離を必要とする。また6-11、検知抗体の導入は、典型的には、実験や抗体標識の大きさを停止または終了150kDaのIgGについては、下流のシグナル伝達に障害となっています。
これらの障害物のそれはラベルフリー技術は、画像タンパク質分泌および既存のラベルフリー技術の中で利用されるプラズモン共鳴(SPR)の表面と、局在表面プラズモン共鳴(LSPR)センサは、優れた候補であることが好ましいからである。12-17これらセンサー広くタンパク質、エキソソームおよび他のバイオマーカーの分析物結合の研究のために使用されている。LSPRの場合は18〜24、プラズモンnanostructuresガラスカバースリップ上にリソグラフィでパターン化し、標準的な広視野顕微鏡の構成を介して可視光を用いて励起することができます。それらのナノスケールのフットプリントに、ガラス基板の大部分は、25-28。例えば、生細胞の顕微鏡との統合に適した明視野でよく、これらのプローブを作製する蛍光顕微鏡のような一般的な画像化技術のために利用可能である我々は、リアルタイム測定を示しましたそれぞれ、225ミリ秒と10ミクロンの空間的および時間的解像度で官能金プラズモンナノ構造を用いて、ハイブリドーマ細胞からの抗体分泌物。基本的なチップ構成は 、図1に示されている。顕微鏡28の出力光路は、画像及びナノ構造の指定された配列の部分占有率の定量決意にファイバ光学的に結合分析装置( 図2に使用されるCCDカメラの間に分割され)。
protoc同時に、標準的な明視野顕微鏡を用いて細胞の応答を監視しながら、本論文では、オール単一細胞分泌物のリアルタイム測定のための実験計画について説明します。学際的なアプローチは、ナノ構造体の製造、分析物の高親和性結合のためのナノ構造体の官能化、商業表面プラズモン共鳴(SPR)測定器を使用して、両方の最小化、非特異的結合と特徴づける運動速度定数の表面の最適化、細胞株の統合が含ま基板と、画像やスペクトルデータの解析へ。私たちは、この技術は、細胞の分泌物と細胞を受けたとの因果関係の時空マッピングを可能にする技術であることを期待しています。
1.ナノ構造作製
2.チップクリーニングと自己組織化単分子膜への応用
3.表面機能とキネティック特性評価
注:リガンドとアナライトとの間の動力学的速度定数を特徴付けるために、ならびに非特異的BにSAMの耐性を研究するために商業SPR機器で官能化チップを使用してinding。流量と効率的な表面機能を可能にするマイクロ流体設計の広い範囲があります。我々は、市販のSPRを持っているので、私たちはその推奨流量を中心に標準化しました。我々は、これらの流量はすべてのSPR機器の典型的なものであるので、制限するものではないことに注意してください。すべての機能化がLSPRチップ上で直接行うことができますが、それは多重化機器があるため、私たちのLSPRマイクロ流体セットアップがないのに対し、それが私たちの作業負荷を軽減なかったため、SPR機器は必要ありません。
4. LSPR一般設定
9E10ハイブリドーマ細胞から抗c-mycの分泌物の5 LSPRイメージング
注:この研究のために使用されるハイブリドーマ細胞株は、化学的トリガーを必要とせず、構成、従って抗c-myc抗体を発現します
典型的な生細胞分泌研究で行われて、データ収集の複数のモードがあります。 図3は、正方形の配列を強調しLSPRi画像のオーバーレイ、および左下のセルを強調表示する透過光照らされた画像を示しています。データは、典型的には、以下に説明する正規化計算のための分析物の飽和溶液を導入し、続いて3時間の期間にわたって収集されます。蛍光画像は、フィルタキューブの自動切り替えにより、データ収集ルーチンに組み込むことができます。 図4の蛍光膜色素ローダミンDHPEで染色された細胞では葉状仮足のような拡張機能(矢印)を示します。そのような拡張は、配列と重複した場合、それらは、タンパク質の分泌のための偽陽性を与えるだろう。画像の複数のモードを持つことは、そのような発生を特定するのに役立ちます。
図5は、分析前のデータ及び後方を示し、ERのc-mycの官能基化アレイに市販抗c-mycの抗体の飽和溶液(400 nM)をの導入。いいえ細胞は、この実験中に存在しませんでした。スペクトルは赤方偏移と強度の増加の両方が表示されます。二つの曲線の下の面積の差は、CCDカメラでLSPRiモードで配列された画像強度の増加をもたらします。非線形最小二乗法データ分析手法は、スペクトルから表面結合リガンドの部分占有を推測するために開発された。30,31
実験の最後に、飽和強度値( すなわち、分数占有≈1)は次の式を使用して、各アレイについて正規化された応答を計算するために使用されます。
時刻tにおける時刻 tでの正規化された強度、実験、最終飽和強度の開始時の初期輝度、およびアレイの測定された強度である場合
二つの配列からの正規化された値は 、図6に示されている。一つの配列は、コントロールとして使用し、他の一方で、調査中の細胞の10ミクロンの範囲内であった細胞から130ミクロンの距離でした。コントロール配列の平坦な応答に対する細胞の相対的に最も近い配列の正規化された応答の急激な増加は、分泌された抗体の局所的なバーストを示します。

1.センサーの設計図。典型的な生細胞分泌実験のジオメトリを描いた図面。セル(青スフェロイド)がbiofunctionalized金ナノ構造体の配列が含まれているLSPRチップに上に堆積されます。ズームアップビューでは、目的の細胞分泌は、この場合には、抗体は、Y字型分子として示し、それらが表面に結合するように測定されます官能ナノ構造。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2光学装置。ハロゲンランプから照射される光は、第一のロングパスフィルタ(LP)によってフィルタリングされます。光が直線的に(P1)偏光および40X / 1.4 NAの対物レンズを介して、サンプルを照明します。散乱光は、対物レンズによって収集され、交差偏光子(P2)を通過します。 50/50ビームスプリッター(BS)は、同時分光及び画像分析のために収集された光路に挿入されています。右上:300nmのピッチで区切られた9個々のナノ構造の原子間力顕微鏡画像はこちらをクリックしてくださいこの図の拡大版を表示します。

図3.生細胞LSPRi研究。Aが12の配列に囲まれた単一のハイブリドーマ細胞(左下)を示す透過光とLSPRi画像を統合しました。これは、コントラスト強調画像です。スケールバーは10μmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4.ライブセル蛍光研究。膜色素であるローダミンDHPEで染色単一のハイブリドーマ細胞の蛍光偽カラー画像。配列は、一般的に表示されていない蛍光撮影モードでは、しかし、近くの配列はABとしてここに観察することができます右下の四角を欠いています。細胞は、細胞(矢印)から外側に拡張している触手のような拡張機能(おそらく糸状仮足や葉状仮足)が、配列から分離されることが分かります。スケールバーは10μmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5.スペクトルモダリティ。抗c-mycの抗体の400 nmのソリューションを導入する前と後のc-mycの官能化された配列から得られたスペクトル。いいえ細胞は、この研究では存在しなかった。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図6.単一細胞分泌。15単セルのミクロンと130ミクロン離れて配置された1つ(コントロール)内に位置する配列の応答。スケールバーは10μmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
この研究で説明されているLSPRイメージング技術には、細胞分泌物を検出するための従来の方法論に比べて多くの利点があります。まず、私たちの技術の時間分解能は数秒オーダーですが、市販の代替手段であるEliSpotとして知られる免疫サンドアッセイの時間分解能は2〜3日です。7,32 その結果、 図6に示すようなタンパク質分泌速度の急激な変化を解決することができました。第二に、チップ上にアレイを分散させることで、分泌されたシグナルを空間と時間で追跡できるため、拡散ベースの細胞分泌モデルとのより厳密な比較が可能になります。さらに、 図6 に示す制御アレイのようなアレイを使用して、フォーカスドリフトなどの機器要因から通常発生する画像の全体的な変化を差し引くことができます。第三に、私たちの技術は細胞の改変を必要としません。必要に応じて、蛍光タンパク質などの一般的に使用されるタグを実験に組み込むことができますが、そのようなタグが細胞生存率または恒常性に悪影響を与える可能性があるという懸念がある場合は、私たちのアプローチのラベルフリーの性質ではそれらを必要としません。第四に、分光データを用いて、表面結合配位子の占有率に関する定量的情報を計算できることを実証しました。
金属ナノ粒子を作製するためのEBLに代わる方法は数多くあります。 しかし、EBLは、光学系と調査中のセルに最適なナノ構造とアレイの寸法を最適化するためのかなりの柔軟性を提供することがわかりました。 また、チップはプラズマ灰化によって容易に再生できるという事実も重要です。 このようにして、一般的なチップは数十回使用できます。 生体機能化の詳細は、特定の用途に合わせて変更する必要があります。 ここで提示されたプロトコルは、表面を比較的小さなc-mycペプチドリガンドで結合させました。 全抗体などの大きなリガンドは、通常、より多くの間隔を必要とするため、SPOとSPN/SPCの比率が高くなります。 いずれにせよ、生細胞実験における非特異的結合を防ぐためには、適切に形成されたSAM層が不可欠です。 一般に、分子量の大きい分析種は、LSPRによってより容易に検出されます。 したがって、その単一細胞発現では、この技術はサイトカインなどの小さなタンパク質の分泌を検出するのに適していない可能性があります。
現在のセットアップは、個々の非接着細胞の研究に使用されています。この研究で報告された結果が直接適用できる分泌されたシグナル伝達タンパク質と小胞はかなりの数あります。 たとえば、癌胎児性抗原 (CEA) は、何十年にもわたってがんの診断マーカーとなってきました。 結腸がん細胞は数千分子/細胞/時間の割合でCEAを分泌することが知られており、分子量は180 kDaでIgG抗体を上回っています。CEA はオートクリンおよびパラクリンシグナル伝達経路に関与していると考えられていますが、これらの分泌物の時空間的性質は測定されたことはありません。 私たちの技術は、これらのシグナリングの質問に直接対処できます。この研究の拡張は、単一細胞からの CEA 分泌の時空間的性質を測定することです。33 今後の研究では、LSPRi を接着細胞の 2 次元および 3 次元細胞培養と統合することにも焦点が当てられます。 この技術は、多数の分泌タンパク質を並行して検出できる多重アレイを組み込むことにより、細胞分泌物とそれらが隣接する細胞にどのような影響を与えるかについての新しい窓を開く可能性があります。
有益なコメントと議論をしてくれたジョージ・アンダーソンに感謝します。この研究は、海軍研究所のナノ科学研究所と全米研究評議会研究員賞の支援を受けました。
著者は何も開示していません。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 25 mm径ガラスカバースリップ | Bioscience Tools | CSHP-No1.5-25 | 170±5 &マイクロ;mは最適です |
| ポリメタクリレートメチル | Microchem | PMMA 950 A4 | |
| 乳酸エチルメタクリレートメチル | Microchem | MMA EL6 | |
| 電子ビーム蒸発器 | Temescal | FC-2000 | |
| 電子ビームリソグラフィー | Raith | シリーズ150 | |
| エタノール | Sigma-Aldrich | 459836 | |
| アセトン | Sigma-Aldrich | 320110 | |
| CR-7 クロムエッチング液 | Cyantek | CR-7 | |
| 走査型電子顕微鏡 | Zeiss | Ultra 55 | |
| 原子間力顕微鏡 | Veeco | Nanoscope III | |
| プラズマアッシングシステム | Technics | Series 85 RIE | |
| SH-(CH2)8-EG3-OH (SPO) | Prochimia | TH 001-m8.n3-0.2 | |
| SH-(CH2)11-EG3-COOH (SPC) | Prochimia | TH 003m11n3-0.1 | |
| SH-(CH2)11-EG3-NH2 (SPN) | Prochimia | TH002-m11.n3-0.2 | |
| 表面プラズモン共鳴システム | Biorad | XPR36 | |
| 裸の金チップ | Biorad | GLCチップ | 層 |
| 1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド | Thermo | 22980 | |
| N-hydroxysuccinimide(NHS) | Thermo | 24510 | |
| ペンチルアミン-ビオチン | サーモ | 21345 | |
| エタノールアミン | Sigma-Aldrich | E9508 | |
| ニュートラアビジン | サーモ | 31000 | |
| リン酸緩衝生理食塩水 | サーモ | 28374 | |
| トゥイーン 20 | シグマ-アルドリッチ | P2287 | |
| 倒立顕微鏡 | ツァイス | アクシオ オブザーバー | 顕微鏡には40倍の油浸対物レンズが装備されています。><> |
| CCDカメラ | 浜松 | オルカR2 | 熱電冷却(16ビット) |
| 分光計 | Ocean Optics | QE65Pro | |
| Spectrasuite | Ocean Optics | version1.4 | |
| c-myc peptide HyNic Tag | Solulink | SP-E003 | |
| monoclonal anti-c-myc antibody | Sigma-Aldrich | M4439 | |
| ハイブリドーマ細胞株 | ATCC | CRL-1729 | |
| Antibiotic Antimycotic Solution (100回;) | Sigma-Aldrich | A5955 | |
| 無血清メディア RPMI 1640 | インビトロジェン | 11835-030 | |
| ウシ胎児血清 | ATCC | 30-2020 | |
| ダミンDHPE | ライフ | テクノロジーL-1392 |
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