この記事では、小胞内構造を持ち、内側、環状、および外側の領域で電気伝導性がカスタマイズされた化合物ジャイアントユニラメラベシクル(cGUV)を調製する方法を紹介します。電気形成は単純なGUVを合成し、浸透圧ショックによって気孔細胞やcGUVに変換されるため、有核細胞の生物物理学を研究するための貴重なモデルを提供します。
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この記事では、小胞内構造を持ち、内側、環状、および外側の領域で電気伝導性がカスタマイズされた化合物ジャイアントユニラメラベシクル(cGUV)を調製する方法を紹介します。電気形成は単純なGUVを合成し、浸透圧ショックによって気孔細胞やcGUVに変換されるため、有核細胞の生物物理学を研究するための貴重なモデルを提供します。
単純なジャイアントユニラメラ小胞(sGUV)は、ミクロンサイズの球状小胞であり、内部に水溶液を囲み、別の水性媒体に懸濁する脂質二重層で構成されています。生体細胞の生体模倣モデルとして、sGUVは生物物理学研究のための確立されたシステムです。しかし、sGUVは主に無核細胞を模倣しているため、非核細胞のモデルとしての適用は限られています。私たちは、有核細胞のより適切な生体模倣モデルとして、化合物ジャイアントユニラメラ小胞(cGUV)を提案します。cGUVは小胞内構造であり、外側と内側の小胞二重層は、それぞれ細胞と細胞の核膜を表していると仮定できます。
本研究では、cGUVの合成法について簡単に述べる。簡単に言うと、sGUVは、DMPCの脂質組成とショ糖培地中の37〜43 mol%の範囲内のコレステロールを使用して、電気形成法により生成されました。次に、これらのsGUVは、高張グルコース溶液を導入することにより浸透圧ショックを受け、体細胞形状への即時移行を引き起こしました。このプロセスにより、外側と内側の小胞が首を介して接続されたままの中間状態が形成され、最終的にはcGUVと呼ばれる小胞内小胞構造が開発されました。
さらに、二重層にコレステロール値が高い状態で調製されたGUVは、イオン透過性が低下することが知られています。この特性により、cGUVの環状溶液の導電率を調整することにより、水和媒体の導電率を調整し、高張グルコースを介して内部溶液を、希釈または導電性媒体の添加を調整することにより、外部溶液の導電率を調整することができ、結果として得られるcGUVは、外側、環状、および内部領域の導電率を制御して作ることができます。 電場研究に関連しています。私たちは、真核細胞の有核細胞の生体模倣モデルとして使用できる化合物小胞を合成するためのこの効率的でわかりやすいアプローチを提案し、生物物理学研究への応用を進めます。
生体模倣モデルは、細胞膜の複雑な生物物理学的現象を研究するために広く採用されてきました。これらの最も単純な生体模倣モデルは、生体細胞に存在する無数の変数からの干渉を最小限に抑えることにより、貴重な洞察を提供します。ジャイアントユニラメラ小胞(GUV)は、膜生物物理学の研究に使用される基本的な生体模倣システムです1,2。GUVは、細胞膜の代表的なモデルとして確立されています。それらは、直径10〜30μmのサイズの単一の球状脂質二重層を含み、水溶液にカプセル化され、懸濁されます。この記事では、これらのsGUVと呼びます。これらのシステムはボトムアップアプローチを使用して構築され、重要な細胞成分(脂質、タンパク質、触媒)が生体膜の構造と機能を模倣するように組み立てられます3,4。
内部に水性コアのみを持つ単純なsGUVが一般的に使用されていますが、生体細胞の特定の特徴を再現するために、より高度なモデルが開発されています。例えば、アクチン支持構造を持つGUVは細胞骨格5,6,7を模倣し、高塩環境は生理学的条件を模倣するために使用されます。高塩環境は生理学的条件を模倣していますが、電気形成8,9などの従来の方法は、そのような条件下でミクロンサイズのGUVを合成するのに適していないことが多いため、GUVでそれらを取得することは困難です。ポリマーゲルまたはデンプンゲルを使用して水分補給中の二重層の膨潤を助けるゲルアシスト法などの新しい方法は、これらの制限に対処します10,11。同様に、sGUVの形態学的変化も研究されている12。カプセル化されたアクチン、微小管、その他の細胞骨格成分など、さまざまな剛性を持つ閉じたフィラメントと開いたフィラメントの添加、およびそれらの内部の浸透圧ストレス条件は、これらの浸透圧的に収縮したが最初は準球形の小胞の形態学的遷移に影響を与えます。理論解析により、管状、球状、ラケット状、チェリー状、液滴状など、多様な形態学的変化が明らかになり、実験的観察とよく一致している12。これらの知見は、細胞や小胞内のフィラメント、微小管、ナノリングの組織を理解する上で重要な意味を持っています。他の研究では、タンパク質のカプセル化の方法をレビューし、カプセル化されたアクチン、微小管、および細胞骨格成分が浸透圧収縮小胞の形状をどのように調節するかを調査しています12,13。
さらに、真核細胞の構造に触発されて、真核細胞の分裂と細胞分裂、生殖とマルチコンパートメントの特徴、自己複製細胞14、15、16、17、およびマルチコンパートメント細胞に似た人工モデルの開発に向けて、複雑なGUVベースのモデルが開発されています。GUVは、構造的な応用だけでなく、細胞エレクトロポレーション(印加された電場がマクスウェル応力により脂質膜に細孔形成を誘発するプロセス)を理解するためのモデルとしても選択されています。GUVは、生体細胞に匹敵する寸法を持ち、電界下で電界変形とエレクトロポレーションを示します。GUVに関するこのような研究は、膜容量や曲げ剛性18などの電気機械特性18およびエレクトロポレーションメカニズム2,19,20に関する洞察を提供します。しかし、実際には、これらの研究は赤血球(RBC)などの無核細胞を最もよく表しています。
このギャップを埋めるために、我々は、核真核細胞21,22の新規な生体模倣モデルとして、化合物ジャイアントユニラメラ小胞(cGUV)を提案する。これらの小胞は、内側の二重層が核膜を模倣し、外側の二重層が原形質膜を表す小胞中小胞構造を持っています。さらに、マイクロマニピュレーターやマイクロシリンジなどの高度な機器を必要とせずに、内側、環状、および外側の領域の電気伝導率を調節する方法を実証します。cGUVを合成するためのこの簡素化されたアプローチは、有核細胞の生物物理学的研究を進めるための有望なプラットフォームを提供します。
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1. 脂質混合液の調製
2. 簡易型巨大単層小胞(sGUV)を合成するための電気形成プロトコール
3. 浸透圧ショック(sGUV-stomatocyto-to-cGUV)における形状遷移
4. cGUVの内部、環状、および外部領域における導電率の変更
5. cGUVの顕微鏡分析
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sGUVは、電気形成法( 図1を参照)を用いて合成し、シリンジを用いてチャンバーから回収しました。採取したsGUVは、まず倒立顕微鏡で可視化し、浸透圧ショックを受けて気孔細胞形状への変化を誘導しました。さらに膜をリモデリングした後、このストマトサイトは、化合物ジャイアントユニラメラベシクル(cGUV)と呼ばれる小胞内小胞構造に変換されます(図1)。cGUVは、共焦点顕微鏡(図2)を使用してさらに分析され、微分干渉コントラスト(DIC)と蛍光イメージングが使用されました。cGUVの3D再構成は、1μm間隔でzスキャンによって作成されました。3D画像は、内側の小胞が外側の小胞から完全に分離され、高いZ面に配置されていることを明確に示していました。内側小胞のこの位置は、環状領域溶液(スクロース)と比較して、内側小胞溶液(スクロース+グルコース)の密度が低いことに起因します。
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脂質の組成と種類は、GUVを構成する二重層の機械的特性を大きく左右します。DMPC/Cholで構成された二重膜は、浸透圧を受けると独特の形状変化を示します。強い高張性浸透圧ショックを受けると、sGUV内の水溶液が排出され、GUV二重膜が変形します。観察された形状遷移は、主に水の外向きのフラックスと二重層の曲げ剛性の影響を受けます。これらの変形は、浸透圧ショックの強さと二重層の脂質組成に応じて、ヒトデの形やダンベルなど、さまざまな形で現れます。
興味深いことに、DMPC-コレステロール二重層の固有の特性は、室温でsGUVの気孔細胞形状への移行を誘導するのに有利です。この移行中に、首の領域が狭くなると、小胞内小胞(VIV)が形成されます。最終的なVIV構造では、内側の小胞は外側の小胞から完全に分離されています。以前の研究では、70:30モル比のDMPC / Cholの二重層組成の場合、小胞が純水で合成され、グルコースが浸透圧ショックを誘発するために使用されると、約30秒以内に内部小胞の完全な分離が起こることが報告されて...
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著者は、宣言する利益相反を持っていません。
ルペシュ・クマール氏は、PMRFフェローシップとコンティンジェンシー助成金について、インド政府の人材開発省(MHRD)に感謝の意を表しました。セントラルファシリティ、IRCC、IITボンベイの共焦点レーザー走査型顕微鏡に感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Cholesterol (Sigma grade, 99%) | Avanti Polar Lipids, Inc. | C8667 | sGUV合成用 |
| Choloroform | Merck Life Science Pvt. Ltd. | DA2P711602 | リピッドストック溶液の調製溶媒用 |
| DMPC | Avanti Polar Lipids, Inc. | 850345C | sGUV合成用 |
| Ethanol | Hayman | F204325 | ITOスライドの洗浄用 |
| FITC-DEXTRAN (4 Kda-MW) | Sigma-Aldrich | 466994 | cGUVの内側の小胞内へのカプセル化用 |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G-7021 | グルコース溶液の調製用、ショ糖溶液に懸濁されたsGUVへの浸透圧ショック用 |
| Liss Rhod PE | Sigma-Aldrich | 810150C-1MG | 脂質分子の染色用 |
| Nile red | Sigma-Aldrich | 72485 | cGUVとsGUV膜の染色用 |
| Sodium chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | 1936060521 | 塩溶液の調製用、cGUVのコンパートメントの導電性の変更用 |
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S9378 | 電形成チャンバーの水和媒体としてのショ糖溶液用 |
| 機器 | |||
| Cavity slides | Blue star | cGUVサスペンションの顕微鏡観察用 | |
| cMOS pco.edge 4.2 camera | Excelitas | 61009524 | 蛍光単色画像とDICイメージング用 |
| Cover slip (22 x 60 mm) | Blue star | キャビティスライドのカバー用 | |
| Eppendrof Electrofusion chamber | Sigma-Aldrich | sGUVサスペンションを電気形成および顕微鏡観察用にチャンバーに入れる、他の単純なチャンバーも使用可能 | |
| Function generator (Dual channel) | Tektronix | AFG3022C | AC電界を電形成チャンバーに送るためのファンクションジェネレーター |
| Incubator | local customised | 40℃に設定された電形成チャンバー | |
| ITO slides | Sigma-Aldrich | 576352-10PAK | 電形成法で使用するITOスライド |
| Nikon Eclipse inverted microscope | Nikon | TE2000-U | sGUVとcGUVの視覚化用 |
| Silicone sheet (3 mm thickness) | Sigma-Aldrich | GF49463141 | 電形成チャンバーの間隔用 |
| Syringe (2 mL) | Becton Dickinson India Pvt Ltd. | 300844 | 水和媒体の注入およびsGUVの電形成チャンバーからの回収用 |
| Zeiss confocal microscopy setup | Central facility of IIT Bombay |
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