Oczyszczony monomer kolagenu jest stabilny przy niskim pH i temperaturze, a tworzenie natywnych włókien kolagenowych polega w zasadzie na podniesieniu pH i temperatury roztworu monomeru kolagenu. Procedury rekonstytucji prążkowanych włókien kolagenowych z monomerów istnieją od ponad 50 lat. Procedura, której nasze laboratorium używało w pierwszych badaniach nad kolagenem 15 lat temu 7, opierała się na metodach podsumowanych przez Chapmana i współpracowników w 1986 roku 10. Warunki tworzenia włókien kolagenowych w tamtych wcześniejszych badaniach obejmowały 0,18 mg/ml monomeru kolagenu w buforze Na2HPO4/KH2PO4 (I = 0,2, pH 7,4) w temperaturze 34 °C. Wadą tej oraz innych próbowanych przez nas procedur jest to, że obok pożądanych włókien prążkowanych zawsze tworzą się włókna nieprążkowane. Nasze nowe warunki to ~0,3 mg/ml monomeru kolagenu w 100 mM fosforanie i 100 mM KCl przy pH 7 i temperaturze 37 °C przez 3-4 h. Opisana tutaj procedura różni się pod każdym względem od wcześniejszej metody otrzymywania natywnych włókien kolagenowych. Co najważniejsze, podwoiliśmy siłę jonową, zwiększając stężenie buforu i dodając 100 mM KCl. Zwiększenie siły jonowej skutkuje bardziej powtarzalnym tworzeniem się wyłącznie prążkowanych włókien kolagenowych.
W naszym doświadczeniu jedynymi sytuacjami, w których ta procedura nie doprowadziła do powstania kolagenu typu natywnego, były przypadki, gdy termin przydatności roztworu monomeru kolagenu zalecany przez producenta już upłynął. W takich sytuacjach obserwowane zjawiska obejmowały zarówno mniejszą liczbę fibryli, z których wszystkie były pozbawione prążkowania, jak i liczne fibrylle, które jednak pozostawały w przeważającej mierze nieprążkowane. Należy zauważyć, że przeterminowany monomer kolagenu często wciąż może być z sukcesem wykorzystany do otrzymania kolagenu natywnego, jednak w przypadku niepowodzenia należy bezwzględnie zakupić nowy monomer kolagenu.
FLS zostały po raz pierwszy zidentyfikowane przez Highberger et al. 17 w preparatach kolagenowych opracowanych przez Orekhovich et al. 18. Dalsze badania doprowadziły Highbergera i Schmitta do wniosku, że to glikoproteina kwasowa α1 promuje tworzenie się FLS 12. Później udało nam się powtórzyć procedurę otrzymywania kolagenu FLS poprzez połączenie dostępnego komercyjnie monomeru kolagenu i glikoproteiny kwasowej α1 przy niskim pH, a następnie powolne zwiększanie pH poprzez dializowanie mieszaniny przeciwko wodzie przez 24 hr 11. Przedstawiamy obecnie modyfikację tej procedury, polegającą na uprzednim dializowaniu monomeru kolagenu przeciwko wodzie, a następnie prostym połączeniu go z glikoproteina kwasową α1 w wodzie w celu utworzenia kolagenu FLS. Warunki montażu kolagenu FLS opisane w niniejszym tekście są znacznie mniej czasochłonne. Monomer kolagenu nadal musi być wstępnie dializowany przeciwko wodzie, ale można to wykonać masowo, a następnie przechowywać go stabilnie w 4 °C do momentu użycia. Ta nowa procedura pozwala na otrzymanie przeważnie prążkowanych fibryli kolagenowych FLS.
Z naszego doświadczenia wynika, że α1-kwasowa glikoproteina o niższej łącznej zawartości białka i wody, a w konsekwencji wyższej zawartości cukrów, ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego wytwarzania fibryli FLS. Zazwyczaj weryfikujemy u producenta, czy partia α1-kwasowej glikoproteiny, której używamy, ma łączną zawartość białka i wody równą 82% lub mniej. Podobnie jak w procedurze syntezy kolagenu natywnego, zbyt stary monomer kolagenu może również doprowadzić do niepowodzenia w produkcji kolagenu FLS. Dodatkowo, w tej procedurze krytyczna jest czystość wody używanej do dializy. Na przykład dializa monomeru kolagenu przeciwko wodzie o oporności nawet ~8 MΩ.cm zamiast >18 MΩ.cm skutkuje otrzymaniem roztworu kolagenu, który nie uformuje kolagenu FLS.
Spośród trzech typów włókien kolagenowych najłatwiejszym do przygotowania jest kolagen SLS. Pierwszą metodę otrzymywania SLS opisali Schmitt i współpracownicy 15. Przed 12 laty opublikowaliśmy adaptację tej procedury pozwalającą na otrzymanie kolagenu SLS z wykorzystaniem kolagenu dostępnego w handlu 14. Procedura ta polegała po prostu na połączeniu 2 mg/ml ATP oraz 0,5 mg/ml monomeru kolagenu w 0,05% (v/v) kwasie octowym o pH 3,5 i pozostawieniu mieszaniny w temperaturze pokojowej przez noc.
W naszym doświadczeniu krytycznym aspektem montażu SLS, który musi być kontrolowany, jest pH roztworu reakcyjnego. SLS montowany w warunkach bardziej zasadowych (~pH 3,6-3,9) prowadzi do powstania zagregowanych skupisk krystalitów. Warunki bardziej kwasowe (~pH 2,9-3,2) skutkują powstaniem cieńszych i bardziej rozdzielonych krystalitów niż te montowane w idealnych warunkach pH 3,3-3,5. Wartości pH reakcji poza tym zakresem (< 2,8 oraz > 4) nie dają żadnego kolagenu SLS. W przeszłości korygowaliśmy pH mieszaniny reakcyjnej poprzez dodanie kwasu octowego. Aby jeszcze bardziej uprościć procedurę, w niniejszym artykule wprowadziliśmy bufor glicyna-HCl w celu kontroli pH.
Trzy różne struktury kolagenu utworzone zgodnie z opisanymi powyżej protokołami posiadają charakterystyczne cechy, które można rozpoznać jedynie za pomocą instrumentów o rozdzielczości nanometrowej. Kolagen natywny oraz kolagen FLS charakteryzują się okresowością prążkowania wynoszącą odpowiednio ~67 nm i ~270 nm. Największy wymiar kolagenu SLS wynosi zaledwie ~360 nm. Opisaliśmy szczegółowo sposób wykorzystania AFM do charakteryzacji tych trzech różnych struktur kolagenu. Niemniej jednak, każdy AFM pracujący w trybie kontaktowym lub przerywanym kontakcie z dowolną sondą AFM o promieniu <10 nm powinien być w stanie obrazować te struktury kolagenu. Dodatkowo do charakteryzacji tych struktur kolagenu można wykorzystać i wykorzystywano mikroskopię elektronową 19.
Główną zaletą tych procedur jest to, że prowadzą one do powstania przede wszystkim pożądanego konstruktu kolagenowego. Jedyną inną formą kolagenu występującą w tych reakcjach jest monomer wyjściowy, który często jest widoczny w tle obrazów AFM. W przypadku kolagenu natywnego oraz FLS, można go łatwo oddzielić od większości nieprzereagowanego monomeru poprzez wielokrotne odwirowywanie i przemywanie otrzymanego granulatu kolagenu natywnego lub FLS wodą.
Przedstawiliśmy proste i niezawodne procedury otrzymywania kolagenu natywnego, FLS oraz SLS z wykorzystaniem zaawansowanych, dostępnych komercyjnie materiałów wyjściowych. Monomer kolagenu użyty we wszystkich tych procedurach jest dostępny komercyjnie w formie oczyszczonej. α1-glikoproteina kwaśna oraz ATP są również dostępne w sprzedaży.