Opisujemy technikę jednoczesnego pomiaru kinetyki wiązania pojedynczego receptora-liganda o regulowanej sile oraz obrazowania w czasie rzeczywistym sygnalizacji wapniowej w pojedynczym limfocycie T.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Opisujemy technikę jednoczesnego pomiaru kinetyki wiązania pojedynczego receptora-liganda o regulowanej sile oraz obrazowania w czasie rzeczywistym sygnalizacji wapniowej w pojedynczym limfocycie T.
Interakcje receptor-ligand błonowy pośredniczą w wielu funkcjach komórkowych. Kinetyka wiązania i dalsza sygnalizacja wyzwalana przez te interakcje molekularne są prawdopodobnie zakłócone przez środowisko mechaniczne, w którym zachodzi wiązanie i sygnalizacja. Niedawne badanie wykazało, że siła mechaniczna może regulować rozpoznawanie antygenu poprzez wyzwalanie receptora komórek T (TCR) i wyzwalanie go. Było to możliwe dzięki nowej technologii, którą opracowaliśmy i nazwaliśmy fluorescencyjną sondą siły biomembranowej (fBFP), która łączy spektroskopię sił pojedynczych cząsteczek z mikroskopią fluorescencyjną. Wykorzystując ultra-miękką ludzką krwinkę czerwoną jako czuły czujnik siły, szybką kamerę i techniki śledzenia obrazowania w czasie rzeczywistym, fBFP wynosi ~1 pN (10-12 N), ~3 nm i ~0,5 ms w mocy, rozdzielczość przestrzenną i czasową. Dzięki fBFP można precyzyjnie zmierzyć kinetykę wiązania pojedynczego receptor-ligand pod wpływem regulacji siły i jednocześnie obrazować wewnątrzkomórkową sygnalizację wapniową wyzwalaną wiązaniem na pojedynczej żywej komórce. Ta nowa technologia może być wykorzystana do badania innych interakcji receptor-ligand błonowy i sygnalizacji w innych komórkach podlegających regulacji mechanicznej.
Adhezja między komórkami i komórka-komórka do macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) odbywa się poprzez wiązanie między receptorami na powierzchni komórki, białkami ECM i/lub lipidami1. Wiązanie pozwala komórkom tworzyć funkcjonalne struktury1, a także rozpoznawać, komunikować się i reagować na środowisko1-3. W przeciwieństwie do rozpuszczalnych białek (np. cytokin i czynników wzrostu), które wiążą się z trójwymiarowej (3D) fazy płynnej z receptorami na powierzchni komórki, receptory adhezyjne komórek tworzą wiązania ze swoimi ligandami w wąskiej szczelinie połączeniowej, aby połączyć dwie przeciwstawne powierzchnie, które ograniczają dyfuzję molekularną w dwuwymiarowym (2D) interfejsie4-7. W przeciwieństwie do kinetyki 3D, która jest zwykle mierzona za pomocą tradycyjnych testów wiązania (np. powierzchniowego rezonansu plazmonowego lub SPR), kinetyka 2D musi być określona ilościowo za pomocą specjalistycznych technik, takich jak mikroskopia sił atomowych (AFM)8-10, komora przepływowa11,12, mikropipeta13,14, pęseta optyczna15 i sonda siły biomembrany (BFP)16-21.
Cząsteczki adhezyjne są czymś więcej niż tylko fizycznym połączeniem dla spójności komórkowej, są głównym składnikiem maszynerii sygnalizacyjnej dla komórki do komunikowania się z otoczeniem. Rośnie zainteresowanie zrozumieniem, w jaki sposób zaangażowanie ligandów w cząsteczki adhezyjne inicjuje sygnalizację wewnątrzkomórkową i w jaki sposób początkowy sygnał jest przenoszony do wnętrza komórki. Intuicyjnie rzecz biorąc, właściwości wiązania receptor-ligand mogą wpływać na sygnały, które indukuje. Jednak trudno jest przeanalizować mechanistyczne relacje między interakcją zewnątrzkomórkową a wewnątrzkomórkowymi zdarzeniami sygnalizacyjnymi przy użyciu tradycyjnego zestawu testów biochemicznych ze względu na ich wiele ograniczeń, np. słabą rozdzielczość czasową i całkowity brak rozdzielczości przestrzennej. Istniejące metody, które umożliwiają zarówno biofizyczne (kinetyka wiązania receptor-ligand 2D), jak i biochemiczne (sygnalizacja) obserwacje żywych komórek, obejmują substraty o regulowanej sztywności22, układy filarów elastomerowych23 oraz komory przepływowe/urządzenia mikroprzepływowe ze zdolnością fluorescencji24-26. Odczyty sygnalizacji i wiązania receptor-ligand muszą być jednak uzyskiwane oddzielnie (najczęściej różnymi metodami), co utrudnia analizę czasowych i przestrzennych relacji charakterystyki wiązania wiązania ze zdarzeniami sygnalizacyjnymi.
Konwencjonalny BFP to ultraczuła spektroskopia sił o wysokiej rozdzielczości czasoprzestrzennej17. Wykorzystuje elastyczną krwinkę czerwoną (RBC) jako czujnik siły, umożliwiając pomiar kinetyki 2D pojedynczej cząsteczki, właściwości mechanicznych i zmian konformacyjnych14,16,19-21,27-29. BFP oparty na obrazowaniu fluorescencyjnym (fBFP) koreluje kinetykę wiązania receptor-ligand z sygnalizacją komórkową wyzwalaną wiązaniem w skali pojedynczej cząsteczki. Dzięki tej konfiguracji w komórkach T zaobserwowano aktywność sygnalizacji komórkowej in situ w kontekście powierzchniowej stymulacji mechanicznej27. fBFP jest wszechstronny i może być stosowany do badań adhezji komórek i sygnalizacji, w której pośredniczą inne cząsteczki w innych komórkach.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Niniejszy protokół jest zgodny z wytycznymi i został zatwierdzony przez komisję etyki badań z udziałem ludzi w Georgia Institute of Technology.
1. Izolacja ludzkich erytrocytów (RBC), biotynilacja i regulacja osmolarności
Uwaga: Krok 1.1 powinien zostać wykonany przez wykwalifikowanego pracownika medycznego, np. pielęgniarkę, zgodnie z protokołem zatwierdzonym przez Instytucjonalną Komisję Recenzencką (IRB).
2. Silanizacja szklanych kulek
3. Funkcjonalizacja kulek
4. Przygotowanie komórek
Uwaga: Aby oczyścić komórki, należy postępować zgodnie ze standardowymi protokołami oczyszczania komórek odpowiadającymi typowi używanych komórek, na przykład limfocytów T27 lub określonych linii komórkowych21,29.
5. Przygotowanie mikropipet oraz komory komórkowej
6. Eksperyment z BFP

Rysunek 1: Budowa fBFP. (A) Zdjęcie ogólne systemu sprzętowego fBFP. (B) Schemat systemu sprzętowego fBFP. (C) System dwukamerowy „DC2” (pomarańczowy), do którego zamontowano kamerę wysokiej rozdzielczości (niebieska) oraz kamerę fluorescencyjną (biała). (D) Stolik mikroskopowy przystosowany do komory eksperymentalnej i trzech systemów manipulacji mikropipetami. (E i F) Mikrofotografie ustawienia BFP w komorze eksperymentalnej. (E) Zespół mikropipet przedstawiający pipetę sondy (lewa), pipetę celu (górna prawa) oraz pipetę pomocniczą (dolna prawa). (F) Umiejscowienie kuleczki sondy. Kuleczka sondy była manipulowana za pomocą pipety pomocniczej i przytwierdzona do wierzchołka erytrocyta (RBC) w celu utworzenia sondy siły. Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Rysunek 2: Schemat BFP i jego cykl testowy. (A) Wideomikrograf przedstawiający sondę siłową (po lewej) oraz docelny limfocyt T (po prawej) zasysane przez odpowiednie pipety. Stacjonarna sonda siłowa składa się z obrzękniętego RBC i przytwierdzonego do niego koralika z ligandem. Limfocyt T z receptorami (cel) jest zamontowany na piezotranslatorze wyrównanym naprzeciwko sondy. ROI zaznaczono kolorem zielonym. Śledzenie krawędzi zaznaczono niebieską linią. Wstawka przedstawia parę ligand (pMHC, strona koralika) i receptor (TCR, strona limfocytu T) na dwóch przeciwległych powierzchniach w obszarze zaznaczonym na pomarańczowo. (B) Profil intensywności krawędzi koralika z (A). Region ROI w kierunku x naniesiono na oś x (w liczbie pikseli), a intensywność światła (w wartości skali szarości) uśredniono poprzez grupowanie 30 pikseli w kierunku y. (C) Odchylenie RBC oraz pozycja koralika i celu (limfocytu T) w cyklu testowym pomiaru clamp siłowy. Pionowe i poziome linie przerywane wskazują odpowiednio pozycję zerowej siły wierzchołka RBC oraz przebieg czasowy. Liniowy tracker krawędzi deformacji RBC pokazano na niebiesko w każdym panelu. Podobne, lecz mniej rozbudowane etapy stosuje się w pomiarze częstotliwości adhezji (w którym brakuje etapów „clamp” i „dysocjacja”) oraz w pomiarze fluktuacji termicznych (w którym brakuje etapu „dysocjacja”).
![figure-protocol-3 Równanie przepuszczalności dla mediów porowatych; wzór κ=πRpΔp/(1-Rp/R0)ln[4R0²/(RpRc)].](/files/ftp_upload/52975/52975equ1.jpg)
7. Eksperyment z fluorescencyjnym BFP (fBFP)
8. Analiza danych
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Technika BFP została opracowana przez laboratorium Evansa w 1995 roku 17. To narzędzie do pomiaru sił pikoniutonowych było szeroko stosowane do pomiaru oddziaływań białek unieruchomionych na powierzchniach, w celu analizy dwuwymiarowej kinetyki cząsteczek adhezyjnych oddziałujących z ich ligandami16,19,20,30, pomiaru elastyczności molekularnej21,29 oraz określania zmian konformacyjnych białek21. W przypadku fBFP dodaje się dodatkowy zestaw urządzeń do epi-fluorescencji z odpowi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Udany eksperyment z fBFP wiąże się z kilkoma krytycznymi kwestiami. Po pierwsze, aby obliczenia siły były wiarygodne, mikropipeta, RBC i koralik sondy powinny być ustawione jak najbliżej współosiowego. Występ RBC wewnątrz pipety powinien mieć około jednej średnicy pipety sondy, tak aby tarcie między RBC a pipetą było znikome. Dla typowego ludzkiego krwinki czerwonej optymalna średnica pipety wynosi 2,0-2,4 μm, co zapewnia najlepsze dopasowanie do równania 117,30. Po drugie, aby zapewnić, że pomiary w teście si...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Badania związane z tym artykułem i rozwojem technologii fBFP w laboratorium Zhu były wspierane przez granty NIH AI044902, AI077343, AI038282, HL093723, HL091020, GM096187 i TW008753. Dziękujemy Evanowi Evansowi za wynalezienie tego inspirującego narzędzia eksperymentalnego oraz członkom laboratorium Evansa, Andrew Leungowi, Kojiemu Kinoshicie, Wesleyowi Wongowi i Kenowi Halvorsenowi, za pomoc w budowie BFP. Dziękujemy również innym członkom laboratorium Zhu, Fang Kongowi, Chenghao Ge i Kaitao Li, za ich pomoc w rozwoju oprzyrządowania.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Jednozasadowy monohydrat fosforanu sodu (NaH2PO4 • H2O) | Sigma-Aldrich | S9638 | Preparat buforu fosforanowego |
| Anhy. Fosforan sodu dwuzasadowy (Na2HPO4) | Sigma-Aldrich | S7907 | Preparat buforowy fosforanowy |
| Węglan sodu (Na2CO3) | Sigma-Aldrich | S2127 | Preparat buforowy węglanowy/wodorowęglanowy |
| Wodorowęglan sodu (NaHCO3) | Sigma-Aldrich | S5761 | Węglan/wodorowęglan preparat buforowy |
| Chlorek sodu (NaCl) | Sigma-Aldrich | S7653 | N2-5% preparat buforowy |
| Chlorek potasu (KCl) | Sigma-Aldrich | P9541 | N2-5% preparat buforowy |
| Fosforan potasu jednozasadowy (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | P5655 | N2-5% preparat buforowy |
| Sacharoza | Sigma-Aldrich | S0389 | Przygotowanie buforu N2-5% |
| MAL-PEG3500-NHS | JenKem | A5002-1 | Funkcjonalizacja kulek |
| Biotyna-PEG3500-NHS | JenKem | A5026-1 | Biotynylacja RBC |
| Nystatyna | Sigma-Aldrich | N6261 | Regulacja osmolarności RBC |
| Wodorotlenek amonu (NH4OH) | Sigma-Aldrich | A-6899 | Koralik szklany silanizacja |
| Metanol | BDH | 67-56-1 | Silanizacja kulek szklanych |
| 30% Nadtlenek wodoru (H2O2) | J. T. Barker | Jan-86 | Silanizacja kulek szklanych |
| Kwas octowy (lodowaty) | Sigma-Aldrich | ARK2183 | Silanizacja kulek szklanych |
| 3-merkaptopropylotrimetoksysilan (MPTMS) | Uct Specialties, llc | 4420-74-0 | Funkcjonalizacja kulek szklanych Koraliki |
| ze szkła borokrzemianowego | Distrilab Particle Technology | 9002 | Funkcjonalizacja kulek szklanych |
| Streptawidyna− Maleimide | Sigma-Aldrich | S9415 | Funkcjonalizacja kulek szklanych |
| BSA | Sigma-Aldrich | A0336 | Ligand funkcjonalizujący |
| Fura2-AM | Life Technologies | F-1201 | Wewnątrzkomórkowe ładowanie barwnikiem fluorescencji wapnia |
| Dimetylosulfotlenek (DMSO) | Sigma-Aldrich | D2650 | Wewnątrzkomórkowe ładowanie barwnika fluorescencji wapnia |
| Koraliki Quantibrite PE | BD Biosciences | 340495 | Kwantyfikacja gęstości |
| Cytometr przepływowy | BD Biosciences | BD LSR II | Kwantyfikacja gęstości |
| Rurka kapilarna 0,7-1,0 mm x 30 cali | Kimble Chase | 46485-1 | Produkcja mikropipet |
| Flaming/Brown Ściągacz do mikropipet | Instrument sutter | P-97 | Produkcja mikropipet |
| Mikrosiła do pipet | Narishige | MF-900 | Produkcja mikropipet |
| Olej mineralny | Fisher Scientific | BP2629-1 | Zespół komory |
| Szklana osłona mikroskopu | Fisher Scientific | 12-544-G | Zespół komory |
| Mikrowtryskiwacz | World Precision Instruments | MF34G-5 | Zespół komory |
| 1 ml strzykawka | BD | Zespół 309602 komory | |
| Uchwyt na mikropipety | Narishige | HI-7 | Montaż komory |
| Domowe części mechaniczne i adaptery zaprojektowane w domu przy użyciu obróbki CNC. | Instrument biofizyczny | Wszystkie części są dostosowywane zgodnie z projektami CAD. | System BFP |
| Mikroskop (odwrócony TiE) | System Nikon | MEA53100 | BFP |
| Obiektyw CFI Plan Fluor 40x (NA 0.75, WD 0.72 mm, Spg) | System Nikon | MRH00401 | BFP |
| Aparat, GE680, 640 x 480, GigE, 1/3" CCD, mono | Graftek Imaging | 02-2020C | System BFP |
| Prosilica GC1290 - ICX445, 1/3", C-Mount, 1280 x 960, Mono., CCD, 12 Bit ADC | Graftek Imaging | 02-2185A | BFP system |
| Ręczna submikronowa głowica pomiarowa z pilotem o wysokiej rozdzielczości | Karl Suss | PH400 | BFP |
| Stół antywibracyjny (5' x 3') | System TMC | 77049089 | BFP |
| Ręczny etap translacyjny 3D | Newport | 462-XYZ-M | |
| Oprogramowanie CAD 3D SolidWorks | SOLIDWORKS Corp. | Wersja 2012 SP5 | System BFP |
| Oprogramowanie | LabVIEW National Instruments | Wersja 2009 | System BFP, program BFP |
| Stolik translacyjny 3D piezoelektryczny | Physik Instrumente | M-105.3P | System BFP |
| Liniowy akumulator piezoelektryczny | Physik Instrumente | P-753.1CD | System |
| BFP Oprogramowanie | Wersja 1.4 | system fBFP, fluorescencja program do obrazowania | |
| Dual Cam (DC-2) | Fotometria | 77054724 | system fBFP |
| Filtr emisyjny Dual Cam (T565LPXR) | Fotometria | 77054725 | system fBFP |
| Kamera fluorescencyjna | Hamamatsu | ORCA-R2 C10600-10B | System fBFP |
| Folia parafinowa z tworzywa sztucznego (Parafilm) | Bemis Company, Inc | Uszczelnienie butelki | PM996 |
| Węglan/ Bufor wodorowęglanowy (pH 8,5) | 8,4 g/l węglan sodu (Na2CO3), 10,6 g/l wodorowęglan sodu (NaHCO3 | ||
| Bufor fosforanowy (pH 6,5-6,8) | 27,6 g/l NaFosforan jednozasadowy (NaH2PO4 • H2O), 28,4 g/L Anhy. NaFosforan dwuzasadowy (Na2HPO4) | ||
| N2-5% bufor (pH 7,2) | 20,77 g/L chlorek potasu (KCl), 2,38 g/L chlorek sodu (NaCl), 0,13 g/l jednozasadowy fosforan potasu (KH2PO4), 0,71 g/l anhy. fosforan sodu dwuzasadowy (Na2HPO4), 9,70 g/l sacharozy |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.