RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ten protokół ma na celu zmierzenie parametrów dynamicznych (wypukłości, retrakcje, falbany) wypukłości na krawędzi komórek rozsiewających.
Rozwój i homeostaza organizmów wielokomórkowych opiera się na skoordynowanej regulacji migracji komórek. Migracja komórek jest istotnym wydarzeniem w budowie i regeneracji tkanek i ma kluczowe znaczenie w rozwoju embrionalnym, odpowiedziach immunologicznych i gojeniu się ran. Rozregulowanie ruchliwości komórek przyczynia się do zaburzeń patologicznych, takich jak przewlekłe stany zapalne i przerzuty do raka. Migracja komórek, inwazja tkanek, aksony i rozrost dendrytów rozpoczynają się od wypukłości krawędzi komórki za pośrednictwem polimeryzacji aktyny. W tym miejscu opisujemy prostą, wydajną i oszczędzającą czas metodę obrazowania i analizy ilościowej dynamiki wypukłości krawędzi komórki podczas rozsiewania. Metoda ta mierzy dyskretne cechy dynamiki błony komórkowej, takie jak wypukłości, retrakcje i zmarszczki, i może być wykorzystana do oceny, w jaki sposób manipulacje kluczowymi regulatorami aktyny wpływają na wypukłości krawędzi komórki w różnych kontekstach.
Migracja komórek jest krytycznym procesem, który kontroluje rozwój i funkcjonowanie wszystkich żywych organizmów. Migracja komórek zachodzi zarówno w stanach fizjologicznych, takich jak embriogeneza, gojenie się ran i odpowiedź immunologiczna, jak i w stanach patologicznych, takich jak przerzuty raka i choroba autoimmunologiczna. Pomimo różnic w typach komórek, które biorą udział w różnych zdarzeniach migracyjnych, wszystkie zdarzenia ruchliwości komórek mają podobne mechanizmy molekularne, które zostały zachowane w ewolucji od pierwotniaków do ssaków i obejmują wspólne mechanizmy kontroli cytoszkieletu, które mogą wyczuwać środowisko, reagować na sygnały i modulować zachowanie komórki w odpowiedzi1.
Początkowym etapem migracji komórek może być tworzenie bardzo dynamicznych wypukłości na krawędzi czołowej komórki. Za blaszką można znaleźć blaszkę, która łączy aktynę ze kurczliwością za pośrednictwem miozyny II i pośredniczy w przyleganiu do podłoża leżącego poniżej. Lamelipodia są indukowane przez bodźce zewnątrzkomórkowe, takie jak czynniki wzrostu, cytokiny i receptory adhezyjne komórek, i są napędzane przez polimeryzację aktyny, która zapewnia siłę fizyczną, która popycha błonę plazmatyczną do przodu2,3. Zaangażowanych jest w to wiele białek sygnałowych i strukturalnych; wśród nich są GTPazy Rho, które działają koordynacyjnie z innymi sygnałami, aktywując białka regulujące aktynę, takie jak kompleks Arp 2/3, białka z rodziny WASP oraz członkowie rodzin Formin i Spire w lamellipodiach2,4,5.
Oprócz polimeryzacji aktyny, aktywność miozyny II jest niezbędna do generowania sił skurczu na blaszce blaszkowej i przedniej. Skurcze te, definiowane również jako retrakcja krawędzi komórki, mogą również wynikać z depolimeryzacji aktyny dendrytycznej na obrzeżach komórki i mają kluczowe znaczenie dla rozwoju blaszkowatej krawędzi natarcia i umożliwienia występowi wyczucia elastyczności macierzy zewnątrzkomórkowej i innych komórek oraz określenia kierunku migracji6,7,8. Występy krawędzi komórek, które nie mogą przyczepić się do podłoża, tworzą falbany błony obwodowej, struktury przypominające arkusze, które pojawiają się na brzusznej powierzchni blaszek i blaszek i przesuwają się do tyłu w stosunku do kierunku migracji. Ponieważ blaszka nie przyczepia się do podłoża, pod nią tworzy się tylna blaszka i mechanicznie popycha pierwsze blaszki w kierunku górnej powierzchni brzusznej. Włókna aktyny w falbanie, które wcześniej były równoległe do podłoża, teraz stają się do niego prostopadłe, a falbana znajduje się teraz nad posuwającym się blaszką. Falbania, która porusza się do tyłu, wpada z powrotem do cytozolu i reprezentuje komórkowy mechanizm recyklingu aktyny lamellipodial9,10.
Tutaj opisujemy test do pomiaru dynamiki wystania krawędzi komórki. Test wypukłości wykorzystuje poklatkową mikroskopię wideo do pomiaru dynamiki wypukłości pojedynczej komórki przez 10 minut podczas fazy rozprzestrzeniania się komórki. Dynamika wypukłości jest analizowana poprzez generowanie kimografów z tych filmów. Zasadniczo kimograf dostarcza szczegółowych danych ilościowych o poruszających się cząstkach na wykresie czasoprzestrzennym, aby uzyskać jakościowe zrozumienie dynamiki krawędzi komórki. Intensywność poruszającej się cząstki jest wykreślana dla wszystkich stosów obrazów na wykresie czasu w funkcji przestrzeni, gdzie oś X i oś Y reprezentują odpowiednio czas i odległość11. Metoda ta wykorzystuje ręczną analizę kimografową z ImageJ w celu uzyskania szczegółowych danych ilościowych, umożliwiających pobieranie informacji z filmów i obrazów w przypadku niskiego stosunku sygnału do szumu i/lub wysokiej gęstości cech oraz analizę obrazów uzyskanych w mikroskopii świetlnej z kontrastem fazowym lub słabej jakości obrazu.
Opisany tutaj test dynamiki wypukłości krawędzi komórki jest szybką, prostą i opłacalną metodą. W związku z tym, a także dlatego, że wykazano, że jest bezpośrednio skorelowany z migracją komórek11,12, może być stosowany jako wstępna metoda badania dynamiki cytoszkieletu zaangażowanej w ruchliwość komórek przed podjęciem decyzji o zastosowaniu metod wymagających większej ilości zasobów. Co więcej, umożliwia również ilościowy pomiar tego, w jaki sposób manipulacje genetyczne (nokaut, powalenie lub ratunek) białek cytoszkieletu wpływają na dynamikę cytoszkieletu przy użyciu prostej platformy. Test jest pouczającym modelem do badania dynamiki cytoszkieletu w kontekście migracji komórek i może być wykorzystany do wyjaśnienia mechanizmów i cząsteczek leżących u podstaw ruchliwości komórek.
Wszystkie metody opisane w tym protokole zostały zatwierdzone przez instytucjonalny Komitet ds. Opieki nad Zwierzętami i Użytkowania (IACUC) Uniwersytetu Bar-Ilan.
UWAGA: Graficzne przedstawienie krok po kroku procedury opisanej w tej sekcji pojawia się w Rysunek 1.
1. Hodowla komórkowa
UWAGA: Komórki użyte w protokole to mysie fibroblasty embrionalne (MEF), które zostały wygenerowane z zarodków E11.5-13.5 myszy C57BL/6 typu dzikiego. Podstawowe MEF-y zostały wygenerowane zgodnie z protokołem laboratoryjnym Jacks13. Komórki z pięciu różnych zarodków połączono ze sobą i unieśmiertelniono przez zakażenie wektorem retrowirusowym eksprymującym duży antygen T SV40, a następnie selekcję za pomocą 4 mM histydynolu przez 3 tygodnie.
2. Powłoka naczynia ze szklanym dnem
UWAGA: Powlekanie naczynia szklanym dnem powinno być wykonywane w kapturze do hodowli tkanek w sterylnych warunkach.
3. Przygotowanie komórek do obrazowania
4. Ustawienie mikroskopu i obrazowanie
UWAGA: Dostępne są różne systemy mikroskopii żywych komórek. Zastosowany tutaj system to mikroskop odwrócony Leica AF6000 wyposażony w CO2 i jednostki grzewcze i jest podłączony do cyfrowej kamery CMOS ORCA-Flash 4.0 V2.
5. Analiza obrazu
UWAGA: Analiza obrazu jest wykonywana za pomocą ImageJ (Tabela Materiałów) w następujący sposób:
W eksperymencie opisanym w Rysunek 2, unieśmiertelnione MEF-y zostały posiane na szklanych dnach wstępnie pokrytych fibronektyną, aby aktywować sygnalizację za pośrednictwem integryny, zablokowaną przez zdenaturowane BSA, w celu zablokowania wolnych potencjalnych miejsc adhezji komórek, która nie jest zależna od aktywacji integryny. Aby osiągnąć logarytmiczną fazę wzrostu przy 70%-80% zbiegu komórek w dniu eksperymentu, 0,7 x 106 MEF posiewano na płytce do hodowli tkankowej o średnicy 10 cm 16 godzin przed eksperymentem. W dniu eksperymentu komórki poddano trypsynizacji i policzono, a 20 000 komórek posiewano na naczyniu ze szklanym dnem pokrytym fibronektyną/BSA. Naczynie inkubowano przez 15 minut w temperaturze 37 °C, aby umożliwić przyczepienie i rozłożenie komórek przed obrazowaniem. Po inkubacji płytkę umieszczono w komorze inkubatora mikroskopowego (37 °C, 5% CO2 ), a pojedyncze komórki zobrazowano za pomocą 40-krotnej suchej soczewki w świetle fazowym. Obrazowanie wykonywano od 15 minut do 1 godziny po posiewie, zanim komórki zaczęły migrować. Obrazy były rejestrowane co 5 sekund przez 10 minut, co dało 121 obrazów na komórkę (film uzupełniający 1).
Analiza obrazu została przeprowadzona przy użyciu ImageJ. Za pomocą narzędzia Prosty na głównym pasku narzędzi wykonano 20 linii prostych o dowolnej długości jednostki na siatce promieniowej w tych samych miejscach co 45 stopni we wszystkich komórkach (Rysunek 2A). Aby wygenerować kymograf, użyliśmy poleceń Image > Stack > Reslice, które dały obraz kimograficzny opisujący ruch pojedynczych punktów w błonie komórkowej (Rysunek 2B-D). Liczba wypukłości, retrakcji i falban powstałych w ciągu 10 minut filmu w każdym z ośmiu regionów w komórkach, które są oznaczone liniami siatki, została wyodrębniona, ręcznie policzona z odpowiednich obrazów kimografu i wykreślona na wykresie jako częstości występów/wycofań/falban na 10 minut. Średnie uzyskane częstości wynosiły 5,1/10 min dla wypukłości i retrakcji oraz 2,1/10 min dla falban (Rysunek 2E).
Odległość wystania, czas wysunięcia, czas wycofania, wysunięcie i prędkości wycofania zostały obliczone na podstawie wygenerowanych kymogramów. Na reprezentatywnym kymografie w klasie Rysunek 3, odległość występu wynosiła 30 pikseli x 0,1625 μm/piksel = 4,875 μm, czas wypukłości wynosił 8 pikseli x 0,0833 min/piksel = 0,6664 min, czas wycofania wynosił 8 pikseli x 0,0833 min/piksel = 0,6664 min. Prędkości wysunięcia i wycofania obliczono jako 4,875 μm/0,6664 min = 7,315 μm/min.
Podczas pomiaru wystających krawędzi komórki, ważne jest, aby wybrać komórki, które są w fazie rozprzestrzeniania się. Przykład odpowiedniej komórki do analizy pojawia się w Rysunek 2A i film uzupełniający 1. Po analizie kymograficznej wypukłości, retrakcje i falbany można łatwo rozróżnić w tym eksperymencie. Przykład fibroblastu typu dzikiego, który nie nadaje się do analizy, pokazano na Rysunek 4. Po analizie kymograficznej, na przykład w liniach (warstwach) 1, 3, 5, 7 nie można rozróżnić wyraźnych wypukłości. W tym przypadku komórka zakończyła rozprzestrzenianie się, ale jeszcze nie zaczęła się poruszać, dlatego nie można zaobserwować wielu ruchów błony.

Rysunek 1: Eksperymentalne etapy testu wypukłości. (A) Roztwór 1N HCl dodaje się do naczynia ze szklanym dnem na 20 minut. (B) Po przemyciu w PBS do szklanej części naczynia dodaje się 10 μg/ml roztworu fibronektyny i inkubuje przez 1 godzinę w temperaturze 37 °C. (C) Dno szklanego naczynia blokuje się przez inkubację w 1% denaturowanym BSA przez 1 godzinę w temperaturze 37 °C. (D) Trypsynizuje się płytkę do hodowli tkankowej zawierającą 70%-80% zbiegających się fibroblastów i policzone (E) 20 000 komórek umieszcza się w naczyniu ze szklanym dnem i (F) inkubuje przez 15 minut w temperaturze 37 °C, aby umożliwić komórkom rozprzestrzenianie się. (G) Płytkę umieszcza się w wilgotnej komorze mikroskopowej o temperaturze 37 °C przy 5% CO2 , a obrazowanie na żywo wykonuje się za pomocą mikroskopii świetlnej z kontrastem fazowym. (H) Filmy i obrazy komórkowe są poddawane analizie kymografii przez Image J. Kliknij tutaj aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Analiza obrazu testu wypukłości. (A) Reprezentatywny obraz MEF na obrazie J ze wskazanymi ośmioma przekrojami membrany do oceny ilościowej w ciągu 10 minut. Podziałka skali, 20 μm. (B) Generowanie kimografu na rysunku J. (C) Reprezentatywny kimograf z przekroju poprzecznego, na którym można wyróżnić wypukłości, retrakcje i marszczenia. (D) Wynikowe kimografie po analizie obrazu w ciągu 10 minut na obrazie J przy użyciu polecenia Reslice. (E) Kwantyfikacja częstości występowania, retrakcji i fałdowania na 10 minut z analizowanego filmu i kimografu. Średnia częstotliwość wypukłości na 10 min = 5,1, średnia częstotliwość wycofywania na 10 min = 5,125, średnia częstotliwość wypukłości na 10 min = 2,1. Przeanalizowano osiem kimografów z jednego filmu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Analiza i kwantyfikacja trwałości wystania, odległości i prędkości. W reprezentatywnym kimografie oś X reprezentuje czas w min (od lewej do prawej), a oś Y pokazuje odległość w μm. X1 reprezentuje czas wysunięcia (trwałość), X2 reprezentuje czas wycofania, a Y reprezentuje odległość występu. Prędkość wypukłości oblicza się, dzieląc odległość występu (Y) przez czas wysunięcia (X1). Prędkość wciągania oblicza się, dzieląc odległość występu (Y) przez czas wciągania (X2). W tym przykładzie odległość wypukłości wynosiła 30 pikseli x 0,1625 μm/piksel = 4,875 μm, czas wypukłości wynosił 8 pikseli x 0,0833 min/piksel = 0,6664 min., czas wycofania wynosił 8 pikseli x 0,0833 min/piksel = 0,6664 min. Prędkość wysuwania/cofania została obliczona jako 4,875 μm/0,6664 min. = 7,315 μm/min. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Przykład komórki, która powinna zostać wykluczona z analizy. (A) Przykład komórki, która nie nadaje się do analizy. Podziałka skali, 20 μm. (B) Analiza kimograficzna tej komórki wykazuje, szczególnie w ponownym plastrze 1,3,5,7, brak wyraźnych wypukłości. W tym przypadku komórka zakończyła rozprzestrzenianie się, ale jeszcze nie zaczęła się poruszać, dlatego nie można zaobserwować wielu wypukłości błony. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Film uzupełniający 1. MEF został posiany na naczyniu ze szklanym dnem pokrytym fibronektyną i zobrazowany za pomocą poklatkowej mikroskopii wideo z kontrastem fazowym przez 10 minut przy użyciu suchego obiektywu 40x/1,4 NA. Czas jest wskazywany w sekundach. Podziałka skali, 10 μm. Kliknij tutaj, aby pobrać ten film.
Autorzy nie mają do ujawnienia konfliktu interesów.
Ten protokół ma na celu zmierzenie parametrów dynamicznych (wypukłości, retrakcje, falbany) wypukłości na krawędzi komórek rozsiewających.
Ta praca była wspierana przez granty NIH MH115939, NS112121, NS105640 i R56MH122449-01A1 (dla Anthony'ego J. Koleske) oraz od Izraelskiej Fundacji Naukowej (granty numer 1462/17 i 2142/21) (dla Hava Gil-Henn).
| Płytki do hodowli komórkowych 10 cm | Greiner | P7612-360EA | |
| Albumina surowicy bydlęcej (BSA) | Sigma-Aldrich | A7906 | |
| Dulbecco' s zmodyfikowane podłoże Eagle (DMEM) | Biological Industries, Izrael | 01-055-1A | Pożywka zawiera wysoką glukozę (4,5 g/L D-glukozy) |
| Dulbecco' s sól fizjologiczna buforowana fosforanami (1xDPBS) | Biological Industries, Izrael | 02-023-1A | |
| Płodowa surowica bydlęca (FBS) | Biological Industries, Izrael | 04-001-1A | Fibronektyna z ludzkiego osocza, płynna, 0,1%, odpowiednia|
| do hodowli komórkowych | Sigma-Aldrich | F0895 | |
| Naczynia ze szklanym dnem | Cellvis | D35-20-1.5-N | Naczynie ze szklanym dnem 35 mm, rozmiar naczynia 35 mm, rozmiar studni 20 mm, szkło nakrywkowe #1.5 (0.16-0.19 mm). |
| Oprogramowanie ImageJ | NIH | Feely dostępne pod adresem: https://imagej.nih.gov/ij/download.html | |
| LAS-AF Leica Application Suite 3.2 | Oprogramowanie do akwizycji mikroskopu wyposażone w cyfrowy CMOS ORCA-Flash 4.0 V2 | ||
| Leica AF6000 | Leica | Odwrócony mikroskop jasnego pola (40x, NA 1.3 ) wyposażony w optykę z kontrastem fazowym, inkubator i jednostkę CO2 z oprogramowaniem do akwizycji LAS AF wyposażoną w Cyfrowa kamera CMOS ORCA-Flash 4.0 V2 . | |
| Roztwór L-glutaminy | Biological Industries, Izrael | 03-020-1B | |
| ORCA-Flash 4.0 V2 cyfrowa kamera CMOS | Hamamatsu Photonics | ||
| Roztwór penicyliny i streptomycyny | Biological Industries, Izrael | 03-031-1B | |
| Trypsyna-EDTA roztwór B (0,25%), EDTA (0,05%) | Biological Industries, Izrael | 03-052-1A |