ここでは、細胞に対して等方的および一軸のひずみ波形を適用しつつ、基質上で培養を支持し、剛性を調整可能かつタンパク質行列をカスタマイズ可能な新しい装置として紹介します。このシンプルで経済的なプラットフォームにより、研究者は基礎研究から疾患関連の文脈において、機械的な手がかりがどのように細胞機能を調節するかを調査できます。
方法論記事
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ここでは、細胞に対して等方的および一軸のひずみ波形を適用しつつ、基質上で培養を支持し、剛性を調整可能かつタンパク質行列をカスタマイズ可能な新しい装置として紹介します。このシンプルで経済的なプラットフォームにより、研究者は基礎研究から疾患関連の文脈において、機械的な手がかりがどのように細胞機能を調節するかを調査できます。
細胞は環境からの機械的サイン、例えば細胞外マトリックス(ECM)の剛性の変化や周期的ひずみの変化に反応し、これらは細胞の運命決定、細胞間コミュニケーション、発生などの細胞プロセスを調節します。これらの力の変化は喘息、高血圧、がんなどの疾患の進行に寄与または促進します。既存の体外内伸縮装置は単軸または等方的なひずみを課すことができますが、生理学的でない剛性を用いたり、ライブイメージングを制限したり、生理的・病理的条件に関連する高いひずみ振幅を達成できないことが多いです。ここでは、エラストマー培養皿上の接着細胞に制御された等方性または一軸のストレッチャーを適用するコンパクトで顕微鏡対応のストレッチャー装置を紹介します。これらのアンテナは調整可能なヤング率を備え、細胞接着のためのさまざまなマトリックスタンパク質コーティングと互換性があり、基質剛性とECM組成の独立調整が可能です。重要なのは、ステッピングモーター駆動設計によって動作の容易さが高まり、プログラム可能な循環波形の生成をサポートすることです。機械的伸縮下で、一次気道平滑筋細胞における細胞内のカルシウム動態と細胞牽引力を定量化することで、この装置の能力を実証します。このプラットフォームは、健康な状況と疾患に関連する文脈の両方で、機械的な手がかりが細胞機能に与える影響を調査するための多用途なツールを提供します。
細胞は周囲環境からの機械的な力を受け、細胞の運命1,2、細胞間コミュニケーション3,4、健康成長の決定など、細胞機能の多くの側面を調節する重要な役割を果たします。さらに、これらの機械的な力の変化は、細胞外マトリックス(ECM)の再構築6や腫瘍の成長を含む疾患の進行や発症の増加を引き起こすことがあります。細胞はこれらの機械的手がかりを感知し反応できます。これにはECMの剛性の変化や、心臓、肺、筋肉などの臓器の周期的負荷が含まれます(11,12)。in vitro研究では、ECMの剛性と組成が、安静時および収縮性作動薬曝露後の細胞骨格の剛性に影響を与えることが示されています13。多数のin vitroおよびin situ研究で、一時的、静的、周期的株が細胞や組織にどのように影響するかが調査されており、反応は株の種類、速度、振幅によって異なることが示されています。例えば、最近の研究では、一時的な伸ばしは加えられたひずみに比例して接着細胞の剛性を減少させ、持続的なひずみの増加は最初は急激に剛性が上がり、その後徐々に緩和が進むことがわかっています15。さらに、力生成の主要な分子調節因子であるカルシウムシグナル伝達は、伸びやその他の機械的力(4,16,17,18,19,20)によって影響を受けます。剛性とひずみが機械生物学的経路にどのように影響するかを研究するには、細胞反応を監視しながら両方の要因を調整する必要があります。そのため、私たちは等方性または一軸伸縮のいずれかを誘導でき、基質剛性、マトリックスタンパク質コーティング、多様なプログラム可能な波形を独立制御できる、顕微鏡互換の細胞ストレッチャーを開発しました。
過去には、研究者たちも細胞培養や組織に特定の動きや機械的伸縮を課す装置を作ってきました21,22。最も単純な場合、一軸運動は単一次元に機械的に伸びるものです。例えば、組織ストリップ23とコラーゲン線維24に機械的な伸縮とひずみをかけたり、細胞の配位を整列させて細胞移動を誘導したりするために開発された装置もあります。等方性伸縮とは、ゲルや基板に全方向から等しい力を加え、材料全体に均一なひずみが生じる伸縮の一種を指します。この伸縮は、肺胞のような特定の生理的環境で細胞が呼吸過程中に放射状の膨張と収縮を受ける際に感じる均一な力の分布をシミュレートしています26,27。
既存のストレッチャー装置には、機械生物学関連の研究での利用を制限するいくつかの制約があります。多くの設計では、機械的ひずみに耐え細胞培養培地の重量を支えるために、典型的な生理学的範囲を超える基質剛性値が用いられています。しかし、このような非生理的な剛性の使用は細胞の挙動にも影響を及ぼす可能性があり、モデルの自然組織環境への関連性を制限する可能性があります。さらに、一部のストレッチャー設計は対物レンズや光の経路を遮り、イメージングを妨げる場合もありますが、他の設計では膜が厚すぎてはクリアに観察できません。ストレッチャーが顕微鏡と互換性があり、薄い基材を使っていても、膜のたるみや焦点合わせの欠如などの問題はよく見られます。Flexcellのような商用プラットフォームでは、真空変形を用いて柔軟な膜を伸ばしています。この方法は安定的で均質なひずみ場を生成することができますが、生細胞顕微鏡には最適化されておらず、顕微鏡対応の構成には高価な追加アクセサリーが必要です。さらに、これらのプラットフォームは最大21.8%の株しか達成できませんが、深層吸気型では30%を超える株が生成され、喘息やCOPDのような疾患ではさらに高い株が観察されます。
そこで、基質剛性とECM組成の正確な材料制御を可能にする新しい細胞伸縮装置を設計し、接着細胞に対して可変の等方性および一軸のひずみを適用できるようにしました。このプラットフォームは、生理学的に重要な剛性を持つ基質を用いた機械刺激時にライブイメージングを必要とする機械生物学的問題を調査する研究者に適しています。この装置は、2次元のホーバーマン球の幾何学に触発された機械駆動のアプローチを採用しており、ハサミのような継ぎ目で膨張・収縮します(図1、 補足図1)。単一のステッピングモーターが16本の放射状に配置されたアームをリンク機構で駆動し、8本のアタッチメントポストの協調的な膨張と収縮を実現します。この構成は、すべての柱に均等な放射変位を同時に適用することで均質な面内ひずみを生み出します。この装置の独自の設計とコンパクトなスペースにより、逆蛍光顕微鏡による平面内等方性および一軸伸縮時のライブセルイメージングを可能にし、市販の代替品のごく一部で済みます。リニアステッピングモーターはカスタムArduinoコードで制御されており、周期や振幅を調整可能なプログラム可能な周期波形が可能です。本研究では、この装置が1%未満から15%までの精度と再現性のあるストレインを供給し、幾何学的容量は200%を超えることを示しました。さらに、機械的伸縮が細胞内のカルシウム動態や一次気道平滑筋細胞の細胞牽引力に与える影響を定量化します。
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本研究で使用された一次ヒト気道平滑筋細胞(ASMC)はバージニア州のATCCから取得され、NIHのガイドラインに従ってドナー情報は匿名化されました。この研究は実験前にノースイースタン大学のバイオセーフティ委員会によって承認されました。
注意:デバイスの製造方法や寸法については、GitHubリポジトリのCADファイル( https://github.com/Breathe-Lab/A-Novel-Platform-for-In-Vitro-Cellular-Stretching-and-Imaging)をご覧ください。
1. 3Dプリント型の設計
2. 細胞培養用の光学的に透明で弾性のある基質剛性調整ゲルの製造
注意:PDMSおよびNuSilを扱う際は、適切なPPE(手袋、白衣、目の保護具)を着用してください。
3. マトリックスタンパク質コーティング
4. 弾性皿におけるヒト気道平滑筋細胞培養
注意:すべての細胞培養手順は、標準的な無菌技術を用いたバイオセーフティフード内で実施してください。
5. 蛍光カルシウムイメージングと解析
6. イメージングセットアップ
7. データ分析
8. 牽引力の測定と解析
注:画像解析、牽引力顕微鏡、運動制御を含むすべてのコードは、当社のGitHubリポジトリで利用可能です:https://github.com/Breathe-Lab/A-Novel-Platform-for-In-Vitro-Cellular-Stretching-and-Imaging
9. セル伸縮装置の校正
10. データ提示と統計的検証
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セルストレッチャーは局所的な変形を反映した巨視的な面積変化を誘発します。等方性の挙動を評価するために、伸縮可能な細胞培養ウェル上で「BREATHE」という単語を形成する蛍光ゼラチンタンパク質パターンの面積変化と、その個々の文字を等方性基質上で測定しました。結果は、単語と個々の文字の両方が面積に同等の変化を示すことを示しました(図3A,B)。図3Bでは、青い丸と誤差バーが、400μmの変位刻みで測定された7文字の面積の平均と標準偏差を表しています。オレンジ色の四角は、「BREATHE」という単語の総面積を基質が伸ばして解放された際の個別の測定値に対応しています。測定領域(文字対単語)と線形変位を独立因子とした二方向ANOVAでは、両者の間に有意な相互作用は認められませんでした(P = 0.743)。
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本プロトコルでは、等方性および単軸株を模倣しながら同時に生細胞をイメージできる新しい顕微鏡対応の細胞ストレッチャーの設計、開発、検証、実装について説明します。この装置はコンパクトで、ライカDMi8顕微鏡ステージに収まることができ、すべての可動部品を単一の平面に集中させ、基質と基底の細胞に焦点を合わせながらライブイメージングを可能にします。これは、二次元のホーバーマン球の幾何学に触発された斜めのアームを用いて行われました。この2次元構成は運動を単一の平面に制限し、ライブセルイメージング時に顕微鏡の焦点を維持するために不可欠です。この形状により大きなひずみが可能となり、回転運動を線形運動に簡単に変換できます。8本の柱の中央配置により、装置が適用できる機械的ひずみの種類に柔軟性が与えられます。8本の柱はすべて対称的に動くが、特定の柱を基質に選択的に接続することで、同じプラットフォームで等方的および一軸的なひずみを伝達できる。
プロトコルのいくつかのステップは、実験の成功に不可欠です。硬化したPDMSゲルを型から取り出す際...
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著者たちの誰も、主張すべき利害関係はありません。
著者たちは、型の製作に協力してくれたノア・ジョセフ氏に感謝しています。著者らは、装置の加工に協力してくれたボストン大学科学機器施設のヘイトール・モウラート氏とグレン・セイヤー氏に感謝しています。この研究は、ハリクリシュナン・パラメシュワランに授与された全米科学財団(NSF)キャリア助成金#2047207によって支援されました。H.P.はこの研究を考案しました。S.E.S.とS.R.P.が装置の全体設計を開発し、S.E.S.とH.P.が等方性実験を設計しました。S.E.Sは等方型の実験を実施し、実験データを解析し、結果をH.P.と共に解釈しました。V.C.は単軸型を設計し、ゲルの準備とビーディングを最適化しました。B.M.Gは単軸ゲル実験を実施し、実験データを解析し、結果を解釈しました。S.E.S.とB.M.G.は図を作成しました。B.M.G、S.E.S、V.C.、H.P.が原稿の起草と編集に貢献しました。H.P.は原稿の最終版を承認しました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ダルベッコ改良型イーグル」sミディアム/F12 | フィッシャー・サイエンティフィック | 12634010 | 500 mL |
| (4-ベンゾイルベンジル)トリメチルアンモニウム塩化物(PLPP) | アルヴ&エアキューテ;オレ | 該当なし | 14.5mg/mL |
| 0.1%蛍光共役ゼラチン | インビトロジェン | G13187 | |
| 0.1%ゼラチン溶液 | シグマ・オルドリッチ | ES-006 | 500 mL |
| 1 & mu;直径mの赤色蛍光カルボキシレート修飾マイクロスフィア | フルオスフィア | F8816 | |
| 1×MEM非必須アミノ酸溶液 | シグマ・オルドリッチ | M7145 | 100 mL |
| 1×ペニシリン/ストレプトマイシン | フィッシャー・サイエンティフィック | 15-140-122 | 100 mL |
| 10%胎児用牛血清 | サーモサイエンティエンティエンス | A5256701 | 500 mL |
| 15 mLチューブ | フィッシャー・サイエンティフィック | 14-959-53A | |
| グルタミン1回、nbsp; | フィッシャー・サイエンティフィック | MT10010CM | |
| 1xインスリン・トランスフェリン・セレン成長サプリメント | コーニング・ライフサイエンス | 25-800-CR | |
| アンフォテリシンB | シグマ・オルドリッチ | A2942 | 25 & mu;g/liter |
| ボールベアリング | マクマスター・カー | 該当なし | |
| 塩化カルシウム二水和物 | シグマ・オルドリッチ | 223506 | |
| キャリッジレール | マクマスター・カー | 該当なし | |
| FLIPR Ca2+ 6 | 分子デバイス | R8190 | |
| GraphPad プリズム | ドットマティックス | 該当なし | |
| ハムSのF-12中型およびnbsp; | シグマ・オルドリッチ | N8641 | 500 mL |
| ハンクスのバランスソルトソリューション | サーモサイエンティエンティエンス | 14025092 | 500 mL |
| HEPESバッファ | サーモサイエンティエンティエンス | 15630080 | 100 mL |
| レオナルド・ソフトウェア | アルヴ&エアキューテ;オレ | 該当なし | |
| Matlab | 数学作品 | 該当なし | |
| メトキシポリエチレングリコール–スクシニミジルバレレート(mPEG-SVA) | レイサン・バイオ株式会社 | 該当なし | 50mg/mL |
| ヌシル・ゲル-8100 | Nusil | 該当なし | |
| ペトリ皿 | サーモサイエンティエンティエンス | 263991 | 90mm |
| リン酸緩衝塩水 | シグマ・オルドリッチ | 10010023 | 500 mL |
| ポリLリジン(PLL) | シグマ・オルドリッチ | P8920 | 500μg/mL |
| 一次ヒト気道平滑筋細胞およびnbsp; | ATCC | PCS-130-011 | |
| PRIMO光学モジュール | アルヴ&エアキューテ;オレ | 該当なし | |
| ネジ | マクマスター・カー | 該当なし | |
| シグマスタット | Systatソフトウェア | 該当なし | |
| スピンコーター | ローレル | モデルWS-650MZ-23NPPB | |
| ストレッチャーおよびステージアタッチメント部品 | ボストン大学科学機器施設 | 該当なし | ステンレス鋼 |
| シルガード184ベースエラストマーおよび硬化剤キット | ダウ | H047J8Q026 | |
| T-25組織培養フラスコ - ベントキャップ、滅菌 | セルトリート | 229331 | |
| 舌圧子 | サーモサイエンティエンティエンス | 22-363-154 |
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