ここでは、空気圧で作動し、高解像度顕微鏡法と互換性のある汎用性の高い等二軸ストレッチデバイスを紹介します。
方法論記事
ここでは、空気圧で作動し、高解像度顕微鏡法と互換性のある汎用性の高い等二軸ストレッチデバイスを紹介します。
細胞は、さまざまな引張応力や圧縮応力など、生理学的および病理学的状況で機械的な力に絶えずさらされています。細胞や組織がどのように応答し、そのようなストレスに適応するか、そしてこれらの応答がメカノケミカルシグナル伝達とどのように統合されるかを探求する非常に活発な研究があります。そのため、標準的な細胞培養プロトコルや顕微鏡法と互換性があり、in vitro研究で生理学的ストレスを再現する洗練されたツールが必要とされています。この研究では、高解像度の光学顕微鏡および蛍光顕微鏡と互換性のあるストレッチデバイスの設計、機能、および特性評価を示します。空気圧ベースまたはモーターベースの数多くのストレッチ装置が開発され、現場で使用されています。これらのシステムの1つを、設計ガイドライン、さまざまなアプリケーション、および同様のセットアップを製造するためのすべてのツールなど、詳細に紹介します。このシステムは、変形可能なポリジメチルシロキサン(PDMS)膜に基づいており、真空塗布時に等軸方向に引き伸ばされ、均質で再現性のある制御されたサンプル株を提供します。これは、時間厳守で即時のストレッチから、制御された振幅と周波数の繰り返しストレッチリリースサイクルまで、さまざまな引張応力を提供します。接着タンパク質による基板コーティングにより、蛍光レポーターを持つ細胞を伸張装置に播種し、高倍率蛍光顕微鏡を使用して伸張時にこれらの細胞のライブイメージングを行うことができます。圧縮応力は、サンプルを伸張に適応させてから放出するか、伸張解放の前にサンプルを事前に伸ばした基材に播種することによっても加えることができます。PDMS基板のトポグラフィーパターニングを追加することで、同じサンプルを異なる顕微鏡モード(蛍光顕微鏡や電子顕微鏡など)でイメージングすることができます。ポリアクリルアミドゲルはPDMSメンブレンに付着させることもでき、その結果、異なる剛性の基質に播種された細胞が伸張します。全体として、生きたサンプルに制御された引張応力を加えることにより、この延伸装置は高品質の蛍光顕微鏡法と組み合わせることで、メカノバイオロジーにおけるさまざまな問題に対処できます。
薄く変形可能なポリジメチルシロキサン(PDMS)メンブレンは、PDMSが顕微鏡イメージングに適した確立された生体適合性不活性材料であるため、さまざまなカスタムメイドの延伸デバイス1,2,3で広く使用されています。ここでは、他の多くの4,5,6,7,8,9と同様に、真空を適用するという単純な概念を使用してメンブレンを変形させ、堅牢で制御可能な等軸ストレッチデバイスを組み立てます。メンブレンを円形のリングの内側にクランプし、リングを「ストレッチポスト」(図1A-C)の上部にシールすることにより、均一で等方的な変形が達成されます。生体サンプルは、自立型PDMSメンブレン上のリングの中心に位置し、蛍光顕微鏡によるイメージングが可能です。ここでは、2つの顕微鏡ステージモデル(図1D-F)と互換性があり、生物学的アプリケーションの観点から非常に汎用性の高い2つのカスタムメイドのセットアップを紹介します。全体的なデザインはシンプルで、他のステージに転置可能ですが、セットアップの寸法はイメージング要件に合わせて慎重に選択する必要があります。達成したら、デバイスのひずみプロファイルを特性評価し、検証する必要があります。
セットアップ自体とは別に、ひずみの大きさ、均質性、および等方性を特徴付けるためのMatlabコードを伴う簡単な方法が提示されます。その後、延伸装置を使用して、合成システム10、単一細胞11、12、または単層13に等二軸引張応力を加えることができ、同時に、蛍光顕微鏡を使用してサンプルの生物学的応答を高い時空間分解能で記録することができる。メンブレンは、異なる細胞外マトリックス接着タンパク質14,15で被覆することができる。生物学的研究のニーズに合わせて、追加の機能を追加することができます。例えば、ポリアクリルアミドゲルをPDMSメンブレンに結合させて、伸張しながら基質の剛性を調整することができ13,16、PDMSメンブレンは、サンプル12内の同じ関心領域の後方イメージングのための参照番号付きグリッドで作製することができる。固定伸長したサンプルは、免疫染色によって処理し、その後、蛍光イメージングのために再延伸することもできる17。適用されたストレッチパターンは、単一の即時ストレッチパルスから、さまざまな大きさ、周波数、または形状の周期的なひずみまで、制御することができる14,16。
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1. ステージとストレッチポストの設計(図1)
2. 伸縮性メンブレンの作製
3.リングに挟む膜
4. PDMS膜製造のバリエーション:参照グリッドをパターン化
5. PDMSメンブレンの上にポリアクリルアミド(PAA)ゲルを接着する
注:この手順は、PMMAプレートに取り付けられたPDMSメンブレン(セクション2を参照)または以前に取り付けられたストレッチリング(セクション3を参照)のいずれかで実行できます。ケミカルフードの下で作業します。加熱を伴う手順については、化学フードの下に小さなオーブンフィッティングを使用すると便利です( 材料の表を参照)。それ以外の場合は、サンプルをオーブンの密閉ボックスに保管してください)。
6. 延伸装置の操作、ひずみ校正、分解能評価
7.細胞播種と伸張
8. 予め延ばした基質への細胞播種
9.伸ばした細胞または弛緩した細胞を固定する
10. 同じサンプル領域を異なるモードでイメージングするためのグリッドによる固定 - SEMイメージングの一例
注:このプロトコルは、ここに示されているように、蛍光顕微鏡と走査型電子顕微鏡の2つの異なる顕微鏡で同じ単一細胞をイメージングするために使用できます。相関イメージングには、このプロトコルの範囲にない高度な画像処理が必要です。その他の有用なアプリケーションとしては、例えば、ライブモードでのサンプルの可視化、ボンネット内でのさらなる固定、免疫染色後の同じ細胞の可視化( 補足図5で使用したプロトコル)などがあります。
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キャリブレーションと放射状
得られた菌株の適切な特性評価は、実験の再現性と制御を保証するものです。蛍光ビーズを各サンプルに追加してひずみを正確に記録することもできますが、前のキャリブレーションステップにより、実験者がサンプルに適用したいひずみの大きさを実際の伸張前に知って、実験の適切な計画が保証されます。ひずみは、適用される真空度だけでなく、ストレッチリングの寸法、PDMS組成(1:10とは異なる混合物)、膜の厚さ、およびリングをクランプする前のPDMS膜のプレストレッチによって異なります。したがって、各実験セットアップは個別にキャリブレーションする必要があります。蛍光ビーズの均質な画像を使用し、適用されたさまざまなレベルの真空に対するそれらの信号を記録すると(補足図3Aを参照)、ひずみと適用された真空の検量線を作成できるだけでなく、ひずみの等方性と基板上のその均一性も検証できます。プロトコルのセクション6で説明されているように、これらの画像を記録し、Matlabコードを使用してひずみ計算のために画像を処理することにより、得られたひずみの品質とその再現性を評価でき...
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多数の伸張装置が、生体内の生理学的条件を模倣して、生物学的試料に機械的伸張を適用するために使用されてきた24,25。文献には多数のセットアップが利用可能であり、サンプル応答の観察は通常、延伸装置を原子間力26または蛍光顕微鏡27,11に結合することによって行われる。
ここで紹介するストレッチングデバイスの設計と操作により、高倍率の蛍光イメージングを行い、任意の蛍光マーカーで標識した生細胞にそのような画像を記録することができます。デバイスのシンプルな設計により、アクセスしやすく使いやすく、空気圧ベースのシステムを使用することを選択することで、機械ベースのセットアップと比較してシンプルで手頃な価格になります。この研究で提示された構成では、等...
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当社は、利益相反を一切表明しません。
この研究は、「la Caixa」財団からの資金提供(X.T.、J.V.R.、P.R.-Cへの助成金406 LCF/PR/HR20/52400004、およびフェローシップLCF/BQ/DR19/11740009から407 I.G.-M.およびLCF/BQ/DR19/11740009からM.M.J.)、スペイン科学イノベーション省408(PID2022-142672NB-I00からP.R.-C.、 PID2021-128635NB-I00からX.T.、PID2022-141040NA-I00 409からI.A.)、カタルーニャ州政府(2021 SGR 01425からX.T.およびP.R.-C.)、研究優秀賞「ICREA 410 Academia」からP.R.-C.、Fundació la Marató de TV3(201936-30-31から411 P.R.-C.)、欧州連合(ERC、MECHANOSYNTH、PRCおよびERCへの助成金101097753、 Adv-412 883739エピフォールドからX.T.まで)。ただし、表明された見解や意見は著者のものであり、必ずしも欧州連合または欧州研究会議事務局の見解や意見を反映するものではありません。欧州連合も付与機関も、それらに対して責任を負うことはできません。A.E.M.B.は、サー・ヘンリー・ウェルカム・フェローシップ(Sir Henry Wellcome Fellowship、210887/Z/18/Z)の支援を受けました。著者らは、MCIU/AEI/10.13039/501100011033およびEuropean Social Fund Plus(FSE+)(JDC2023-051559-IからV.V.)が支援するJuan de La Ciervaフェローシップからの資金提供を認めています。IBECは、MINCINからSevero 415 Ochoa Award of Excellenceを受賞しています。ストレッチシステムの支援を提供してくださったV González-Tarragó氏と、技術サポートを提供してくださったEvelyn Coderch氏に感謝します。また、UNIAT de Criomicroscòpia Electrònica TEM/SEM (Centres Científics i Tecnològics de la Universitat de Universitat de Barcelona, CCiTUB) と、IBEC の CIBER-BBN の ICTS 'NANBIOSIS' Unit 7, MicroFabSpace and Microscopy Characterization Facility の支援にも感謝いたします。また、ICFOの機械工房とのコミュニケーションを促進してくれたMaria Garcia Parajo氏と、部品エンジニアリングのスムーズな支援を提供してくれたTecnifill氏にも感謝しています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アセテートマスク | JDフォトデータ | ||
| アクリルアミド | バイオラッド | 161-0140 | 40%アクリルアミド溶液 |
| APSの | シグマ・アルドリッチ | A3678 | 電気泳動用過硫酸アンモニウム、≥98% |
| アプテス | シグマ・アルドリッチ | 281778 | (3-アミノプロピル)トリエトキシシラン |
| 自律型マイクロ流体ポンプ | エルヴェフローコバルト | コバルトデュアル | コバルトデュアル |
| ビサクリルアミド | バイオラッド | 161-0142 | 2%ビス溶液 |
| 刃 | フィッシャーサイエンティフィック | 11733919 | 教訓的なグループ Hoja は aacute;ctica X100 ラメビストーリ滅菌N&°;23 ラムド23 |
| クリップ | スプリント | AKXX000001 | ブルドッグクリップ、32mm、金属製、容量10mm、ニッケルメッキ |
| コロナ処理機 | 電気技術製品 | BD-20AC、SKU:12051A | BD-20AC実験室用コロナ処理機 |
| カップ | VWRの | 611-1368 | VWR, ビーカーカップ、使い捨て、250 mL |
| DAPIの | ロシュ | 10236276001 | DAPI染色 |
| エタノール 96% | パンリーク・クイアキュート;マイカ、SLU | 131085-1212 | エタノール 96% v/v para anáリシス、ACS- 2,5 L |
| フィブロネクチン | シグマ | F0895 | フィブロネクチン、ヒト血漿由来、液体 0.1% |
| FluoSpheres カルボン酸修飾マイクロスフェア、0.1 &m | ライフテクノロジー | F8801、F8803 | 解像度評価用の黄緑色および赤色蛍光ビーズ |
| FluoSpheres カルボン酸修飾マイクロスフェア、0.2 &m | フィッシャーサイエンティフィック | F8809、F8810 | ひずみ校正用の黄緑色および赤色蛍光ビーズ |
| グルタルアルデヒド | シグマ・アルドリッチ | G6403 | H2O |
| 干渉計 | ヴィーコ | ワイコNT1100 | PDMS膜の厚さを測定する干渉計 |
| イソプロパノール | パンリーク・クイアキュート;マイカ、SLU | 131090-1212 | 2-プロパノール (Reag. Ph. Eur.) para anáリシス、ACS、ISO |
| Laitonの体重 | カスタムメイド | ||
| 糸くずのないティッシュ | バークシャー | DURX670、DR670090920 | 不織布ワイプ |
| 潤滑剤(ワセリン) | シグマ | 16415 | ワセリン |
| マスクアライナー | Süss マイクロテック | MJB4 | PMMAプレート上のフォトリソグラフィー用マスクアライナー |
| モウィオール | カルビオケム - メルク | 475904 | MOWIOL 4-88試薬 |
| ニコン顕微鏡スピニングディスク共焦点 | ニコン | エクリプスTi-E/B | ニコンTi-S-ER を搭載。舞台 |
| ニコンマイクロスコープアップライト | ニコン | エクリプスNi-E | ニコンNI-SH-Eステージ搭載 |
| 目標 60倍 | ニコン | CFI アポ近赤外 60X W | NIR Apo 60X/1.0w DIC N2 WD 2.8 |
| PBSソリューション | ギブコ | 14200067 | DPBS、10倍 |
| PDMSの | ダウコーニング | 2401673921 | シルガード - 184 シリコーン エラストマー KIT DN 109 |
| ペトリ皿リングカバー(大) | プロキノルテ | 93060 | Plato de cultivo celular TPP SKU: 07177925直径 100 |
| ペトリ皿リングカバー(小) | プロキノルテ | 93060 | Plato de cultivo celular TPP SKU: 07177924 |
| プラズマクリーナー | ハリック | PDC-002 | 酸素プラズマ発生器 |
| PMMAプレートとリング | 補足資料のExcel仕様表を参照してください | ||
| 引き摺る | インビトロゲン | P36930 / P36934 | ProLong Gold 退色防止試薬 |
| リペルシラン | GEヘルスケア | 17-1332-01 | PlusOne リペル シラン ES |
| リング/ラバーリング | テクニフィル | カスタムメイド | |
| スピンコーター | 月桂樹 | WS-650Sz | スピンコーター |
| SPY650-DNA | スピロクロム | サウスカロライナ州501 | SPY650-DNA |
| ステアリングスプーン | VWRの | 231-0416 | エコショート使い捨てスパチュラ、両頭スプーンとスクープ、PP、エコピュア添加剤 |
| SU8樹脂2100 | マイクロケム | Y111075 | SU8-2100 |
| SU8-開発者 | シグマ・アルドリッチ | 484431 | プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート |
| テメド | シグマ・アルドリッチ | T9281-50MLの | N,N,N',N'-テトラメチルエチレンジアミン、バイオ試薬 suitab。電気泳動試薬 |
| トリクロロ(1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチル)シラン | シグマ・アルドリッチ | 448931 | トリクロロ(1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチル)シラン |
| ピンセット | IESMAT(アイスマット) | T5039 | Dumont HP ピンセット 7 ステンレス鋼。0.17 x 0.10mmの先端。(寒天科学株式会社) |
| 真空コントローラー | GARCAP/パーカー | 990-005203-005 | Controlador de vacio |
| 真空コントローラー fluigent | 流暢 | LU-FEZ-N800 | ラインアップ フロー EZ (n800mbar) |
| 白いベンチペーパー | ライマ | 931.1001 | ペーパーライマ 42 x 52 |
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