Этот протокол направлен на автоматизацию измерений AFM на сотнях микробных клеток. Сначала микробы иммобилизуются в микроструктуры штампа PDMS, а затем измерения силовой спектроскопии выполняются автоматически на сотнях иммобилизованных клеток.
Методическая статья
* These authors contributed equally
Этот протокол направлен на автоматизацию измерений AFM на сотнях микробных клеток. Сначала микробы иммобилизуются в микроструктуры штампа PDMS, а затем измерения силовой спектроскопии выполняются автоматически на сотнях иммобилизованных клеток.
Метод, представленный в этой статье, направлен на автоматизацию экспериментов Bio-AFM и регистрацию кривых силы. Используя этот метод, можно автоматически записывать кривые сил на 1000 ячейках за 4 часа. Для поддержания 4-часового времени анализа количество кривых силы на ячейку уменьшается до 9 или 16. Метод сочетает в себе программу на основе Jython и стратегию сборки ячеек по определенным шаблонам. Программа, реализованная на коммерческом Bio-AFM, может центрировать наконечник на первой ячейке массива, а затем автоматически перемещаться от ячейки к ячейке, записывая кривые силы на каждой клетке. Используя эту методологию, можно получить доступ к биофизическим параметрам клеток, таким как их жесткость, их адгезионные свойства и т. Д. Благодаря автоматизации и большому количеству проанализированных клеток можно получить доступ к поведению клеточной популяции. Это прорыв в области Bio-AFM, где данные до сих пор были записаны только на нескольких десятках клеток.
Эта работа предоставляет методологию для выполнения автоматических измерений силы на сотнях живых клеток с использованием атомно-силового микроскопа (AFM). Он также предоставляет метод иммобилизации микробов на микроструктурированной марке PDMS, который совместим с экспериментами AFM, проводимыми в жидкой среде.
Bio-AFM - это узкоспециализированная технология, разработанная для применения в биологии, а затем используемая для изучения живых клеток. Для этого требуется обученный инженер, который может анализировать одну клетку в то время. В этих условиях количество различных клеток, которые могут быть проанализированы, довольно мало, типично от 5 до 10 клеток за 4-5 часов. Однако количество измерений силы, регистрируемых на одной ячейке, обычно очень велико и может легко достигать 1000. Таким образом, текущая парадигма измерения силы AFM на живых клетках заключается в регистрации сотен кривых силы (ФК), но на ограниченном числе клеток.
Статистически такой подход вызывает сомнения, и поднимает вопрос о репрезентативности выборки. Действительно, трудно, например, оценить гетерогенность клеточной популяции, измеряя только несколько клеток, даже если на этих нескольких клетках регистрируются сотни измерений. Однако именно на основе этой парадигмы были достигнуты значительные успехи в биофизике, микробиологии и наномедицине1,2,3. Действительно, нанометровый анализ в масштабе одиночных клеток дал новую информацию по клеточной наномеханике, об организации трансмембранных белков или механизме действия противомикробных или противоопухолевых препаратов4,5,6,7. Однако в последнее время появилось несколько высокопроизводительных биомеханических тестов, проведенных на клетках8,показывающих заинтересованность научного сообщества в изменении этой парадигмы и доступе к гетерогенности клеточной популяции. Все эти тесты полагаются на микрофлюидные системы для деформирования клеток и оптического измерения их деформации под напряжением для получения косвенной меры их общей поверхностнойэластичности 8. Однако важной проблемой этих методов является то, что они являются монопараметрическими: можно исследовать только эластичность клеток. Более того, они не позволяют измерять механические параметры адгезивных клеток, что может быть ограничено для исследований нециркулирующих клеток млекопитающих или биопленок, например.
Подходы с участием AFM были разработаны командами S. Scheuring9 и M. Favre10. Scheuring et al. иммобилизовалы клетки на фибронектиновых паттернах9,заставляя отдельные клетки принимать форму паттерна9. Затем эта команда наметила механические свойства нескольких ячеек, чтобы определить средние данные, представляющие от 14 до 18 клеток. Разработка, выполненная Farve et al., направлена на мультиплексирование измерений путем распараллеливания кантилеверов AFM10. Насколько нам известно, эта работа в направлении мультиплексирования не привела к измерениям на живых клетках.
Интересный подход, предложенный командой Дюжардена, представляет собой автоматизированный AFM, способный идентифицировать клетки и визуализывать их на дне изготовленных на заказ скважин. Хотя этот метод не позволяет проводить анализ большой популяции клеток, он позволяет автоматически тестировать различные условия в каждой скважине11.
Наша цель в этой работе более амбициозна, так как мы хотели измерить не менее 1000 клеток для доступа не к средней клетке, а, наоборот, к гетерогенности между клетками. Стратегия, которую мы разработали здесь для доступа к гетерогенности клеточной популяции с помощью AFM, основана на анализе сотен клеток, на которых регистрируется ограниченное количество кривых силы. По сравнению с «классическим» подходом, записывающим большое количество кривых силы на ограниченном числе ячеек, этот подход следует рассматривать как комплементарный, поскольку он не дает такой же информации. Действительно, в то время как типичный метод позволяет исследовать гетерогенность отдельной клеточной поверхности, используя наш подход, мы можем получить доступ ко всей гетерогенности клеточной популяции. Для достижения этой цели мы объединили метод, который непосредственно обездвиживает микробов (здесь дрожжевой вид Candida albicans)в колодцы PDMS микроструктурированного штампа12,и разработали оригинальную программу для автоматического перемещения наконечника AFM из клетки в клетку13 и измерения механических свойств каждой клетки.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
1. Культура микробных клеток
2. Подготовка штампа PDMS
3. Пробоподготовка
4. Запуск программы AFM
ПРИМЕЧАНИЕ: Программа AFM предоставляется в качестве дополнительного материала (AutomatipSoftware2019.pdf). Для этого требуется JPK-Bruker AFM Nanowizard II или III, оснащенный моторизованной ступенью и настольным программным обеспечением JPK версии 4.3. Программа была разработана под Jython (версия на основе python 2.7)
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Мы использовали описанный протокол для анализа влияния каспофунгина на биофизические свойства условно-патогенного микроорганизма человека C. albicans в его дрожжевой форме. Каспофунгин является противогрибковой молекулой последнего шанса, используемой, когда другие препараты неэффективны из-за механизмов резистентности клеток к противогрибковых препаратам. Механизм его действия основан на ингибировании субъединицей Fks2 комплекса fks1/Fks2, ответственной за синтез ß-глюкана. Поскольку глюканы являются основным к...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Основным улучшением, обеспечиваемым данной методологией, является значительное увеличение количества измеряемых клеток за определенный промежуток времени. Аналогом является уменьшение количества точек, измеренных на ячейку. Это означает, что этот метод не предназначен для обеспечения детального анализа одной клетки. Метод применяется только к ячейкам, которые могут поместиться в колодцах штампа PDMS. Марка довольно универсальна, при этом она содержит колодцы от 1,5 х 1,5мкм2 до 6 х 6мкм2. Тем не мен...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторам нечего раскрывать.
Мы хотим отметить FONCYCYT CONACYT (Мексика), Министерство иностранных дел Франции и Университет Париж 13, а также финансовую поддержку международного совместного проекта ECOS-NORD под названием Nano-palpation for diagnostic, No 263337 (Мексика) и MI5P02 (Франция). ЕОМ благодарит SIP-IPN за финансовую поддержку проекта No 20195489. SPC поддерживается стипендией PhD от CONACYT (No 288029) и IPN через соглашение cotutelle для получения двойного сертификата PhD (IPN-UPS). ED и CFD являются исследователями в Национальном центре научных исследований (CNRS).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Консоль АСМ Bruker | АСМ зонды | MLCT | Используемые консоли имели маркировку « C” с резонансной частотой от 7 до 10 кГц и k: 0,01 Н/м |
| Анализ данных АСМ | JPK-Bruker | JPK Версия обработки данных не менее 5.1.8 | Можно скачать с аккаунта пользователя JPK-Bruker |
| АСМ чашки Петри | WPI | FluoroDish FD35-100 | Нагреватель использовался для контроля изменения температуры во время эксперимента |
| Атомно-силовой микроскоп (АСМ) | JPK-Bruker | Nanowizard II или III | АСМ должна быть смонтирована на инвертированном оптическом микроскопе с моторизованным столиком |
| Каспофунгин | Sigma-Aldrich | SML0425-5MG | Каспофунгин использовался с концентрацией 4 MIC (минимальная концентрация ингибитора) |
| Редактор кода | Microsoft | Visual Studio Code версии 1.40.1 | https://code.visualstudio.com/ |
| Cryobeads | IFU | CB12 | |
| Dessicator/Degassing | камера Fisherbrand | 15594635 | Оборудование используется для дегазации штампов PDMS в течение около 50 минут, подойдет любой эксикатор в сочетании с вакуумным насосом. |
| Нагреватель для тарелок Petri | JPK-Bruker | PetriDishHeater | Это дополнение к JPK/Bruker AFM. Нагреватель использовался для контроля изменения температуры во время эксперимента |
| Буфер ацетата натрия pH 5,2 | Sigma-Aldrich | S7899 | Раствор содержит 18 мМ ацетата натрия, 1 мМ CaCl2 и 1 мМ MnCl2. Отрегулируйте pH с помощью ледяной уксусной кислоты. Раствор можно хранить при 4°°; C за 2 месяца |
| Язык статистического анализа | https://www.r-project.org | R версии 3.6.1 | R — это язык и среда для статистических вычислений и графики. Это проект GNU, который похож на |
| программное обеспечение для статистического анализа | https://rstudio.com | R studio версии 1.1.463 | между R Foundation, RStudio, Microsoft, TIBCO, Google, Oracle, HP и другими. RStudio и Shiny являются аффилированными проектами Фонда статистики открытого доступа |
| Sylgard 184 | Sigma-Aldrich | 761028 | полидиметилсилоксан (PDMS) и отвердитель в одном наборе |
| Дрожжевой пептон D Бульон | Difco | 242820 | |
| YPD Agar | Difco | DF0427-17-6 |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение