$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Cellen hebben het intrinsieke vermogen om mechanische krachten te voelen, te genereren en erop te reageren, wat leidt tot veranderingen in cellulair fenotype en remodellering van de lokale micro-omgeving 1,2. Krachten spelen een cruciale rol bij het reguleren van vele aspecten van celgedrag, waaronder hechting, migratie, proliferatie, differentiatie en wondgenezing 3,4. Aberraties in de bidirectionele mechanische uitwisseling tussen een cel en de micro-omgeving kunnen leiden tot zieke toestanden, waaronder kanker5. Talrijke membraanreceptoren zijn betrokken bij het handhaven van celmatrixhomeostase; hiervan hebben integrinen en epidermale groeifactorreceptor (EGFR) een robuuste synergie 6,7. Klassiek leggen integrines de mechanische link tussen de micro-omgeving en intracellulair cytoskelet, terwijl EGFR celgroei, proliferatie en overleving reguleert 8,9. EGFR is een zeer bestudeerd therapeutisch doelwit, gericht op outside-in regulatie die intracellulaire signalering vergemakkelijkt. EGFR-integrine overspraak is genetisch en biochemisch vastgesteld om de progressie van meerdere ziekten te reguleren, waaronder kanker10,11. Hoewel studies wijzen op het bestaan van EGFR-integrine-samenspel, worden de uitkomsten toegeschreven aan signaalroutes weg van het plasmamembraan 7,12,13,14. De impact van EGFR, of andere groeifactoren, op de celmechanica blijft grotendeels onontgonnen, deels vanwege het gebrek aan hulpmiddelen om cellulaire krachten en signaalresultaten te meten. De uitdaging ligt in het identificeren van geschikte hulpmiddelen om de communicatie tussen deze parallelle signaleringsparadigma's te bestuderen en hun specifieke bijdragen aan de celmechanica te kwantificeren.
Er zijn verschillende benaderingen ontwikkeld om krachten te meten die worden gegenereerd door celadhesiereceptoren, en de lezer wordt verwezen naar diepgaande beoordelingen van deze technieken15,16. Kortom, tractiekrachtmicroscopie en micro-pijler arraydetectie vertrouwen op de vervorming van een onderliggend substraat om nanonewton (nN) krachten af te leiden, een orde van grootte meer dan individuele receptorkrachten17,18. Single-molecule technieken, waaronder AFM en optische pincet, zijn gevoelig voor single protein piconewton (pN) krachten, maar meten slechts één receptor tegelijk en bieden geen goede (of enige) ruimtelijke resolutie. DNA-gebaseerde moleculaire spanningsondes en spanningsmeter tether (TGT) sondes bieden pN-krachtresolutie met diffractie-beperkte (of betere) ruimtelijke resolutie, waardoor ze een unieke rol spelen bij het bestuderen van eencellige krachten19,20 uit verschillende celtypen, waaronder fibroblasten, kankercellen, bloedplaatjes en immuuncellen 21,22,23,24 . Terwijl moleculaire spanningsondes een uitschuifbaar "veer" -element hebben, ideaal voor real-time beeldvorming, scheuren TGT-sondes onomkeerbaar, waardoor een fluorescerende "krachtgeschiedenis" achterblijft. TGT's moduleren bovendien de spanningsdrempel van het onderliggende substraat; een reeks sondes met vergelijkbare chemische samenstellingen maar verschillende breekkrachten, of spanningstoleranties (Ttol), kan worden gebruikt om de minimale spanning te kwantificeren die nodig is voor focale adhesievorming en celverspreiding. TGT-sondes bestaan uit twee complementaire DNA-strengen, een verankerd aan het oppervlak en de andere presenteert een ligand aan de cel. Als een receptor het ligand bindt en een kracht uitoefent die groter is dan deT-tol van de sonde, worden de strengen gescheiden. Ttol wordt gedefinieerd als de constante kracht die nodig is om 50% van de sondes te scheuren in een interval van 2 s onder ideale omstandigheden. Bij "turn-on" TGT-sondes kan een quencher op de bovenste streng worden gescheiden van een fluorofoor op de onderste streng. Alleen waar de TGT-sonde is gescheurd, vermoedelijk door krachten groter dan of gelijk aan Ttol, wordt een fluorescerend signaal gegenereerd. TGT-sondes kunnen ook worden bevestigd, waardoor eenvoudige manipulatie van biologische systemen en het testen van meerdere aandoeningen mogelijk is. Om deze redenen werden in dit werk TGT-sondes gebruikt.
TGT-sondes werden gebruikt om te bestuderen hoe integrine-afhankelijke celadhesie en mechanische krachten worden gemoduleerd door geactiveerde EGFR21. Dit werk vestigde EGFR als een 'mechano-organisator', die focale adhesieorganisatie en spanningsgeneratie afstemde. Bovendien bleek dat EFG-stimulatie de distributie en rijpheid van focale verklevingen en verbeterde celverspreiding beïnvloedde. Deze benadering kan in toekomstige studies worden gebruikt om te onderzoeken hoe groeifactoren mechanische krachten in tumorprogressie en -dynamiek beïnvloeden. Hoewel de rol van EGFR-integrine-overspraak bij het reguleren van de epitheliale naar mesenchymale overgang is vastgesteld, blijft de rol van mechanische krachten in dit proces onderbelicht10.
Hier wordt een gedetailleerd protocol gepresenteerd voor deze experimenten met betrekking tot de synthese en assemblage van 56 pN TGT-sondes, het genereren van TGT-oppervlakken op glazen coverslips, toepassing van Cos-7-cellen op het TGT-oppervlak en stimulatie met EGF, fixatie en kleuring van cellen met falloidine, en een anti-paxilline-antilichaam, hoge resolutie totale interne reflectiefluorescentie (TIRF) en reflectie-interferentiecontrastmicroscopie (RICM) beeldvorming, en beeldkwantificering. Dit protocol, hoewel geschreven om EGF-stimulatie van Cos-7-cellen te onderzoeken, is gemakkelijk aan te passen voor veel op TGT gebaseerde experimenten. Verschillende liganden,T-tol, celtypen, stimulatieparameters, eiwitten die na fixatie zijn gelabeld en kwantitatieve analyse kunnen eenvoudig worden vervangen, waardoor dit protocol robuust en op grote schaal bruikbaar is.