Сочетание 3D-привода магнитной силы и многофункциональной флуоресцентной визуализации для изучения метанобиологии ядра
July 5th, 2022
Это исследование представляет новый протокол для непосредственного применения механической силы на ядро клетки через магнитные микрошарики, доставляемые в цитоплазму, и для проведения одновременной флуоресцентной визуализации живых клеток.
В этом методе сила непосредственно прикладывается к ядру. Это отделяет эффект передачи силы от клеточной плазматической мембраны и цитоскелета, выявляя молекулярные механизмы ядерного механозондирования. Сила прикладывается внутри живых клеток неинвазивным способом.
По сравнению с оптическим пинцетом, магнитное поле и магнитная сила не влияют на функции ячейки и имеют более высокую пропускную способность. Начните культивирование клеток с помощью магнитных микрошариков, взвесив 0,2 грамма карбонильных железных микрогранул, имеющих семь микрометров среднего диаметра. Суспендировать микрогранулы в одном миллилитре RPMI 1640 с помощью пипетки.
Затем отнесите чашку Петри с B2B-клетками в шкаф биобезопасности и быстро добавьте в чашку Петри 200 микролитров среды, содержащей микрогранулы. Поместите чашку Петри в инкубатор до тех пор, пока микрошарики не усвоятся клетками. Откройте инвертированный микроскоп и, используя конфокальную флуоресцентную визуализацию, определите оптимальное время для интернализации клеточных линий каждые шесть часов, визуализируя микрогранулу, ядерную и клеточную границу.
Интернализованные микрошарики будут присутствовать в пределах границы клетки. Для применения малых усилий и визуализации живых клеток откройте программное приложение Elements. Чтобы определить конфигурацию магнитной находки, нажмите кнопку «один на два», чтобы установить скорость сканирования на один кадр в две секунды.
Установите размер точечного отверстия на 1.2 Airy unit. Проверьте только канал FITC и установите PMT HV как 70, смещение как ноль, интенсивность лазера как 10. Чтобы определить конфигурацию магнитного ядра YAP, установите скорость сканирования на один кадр в четыре секунды, нажав кнопку «один на четыре».
Затем нажмите кнопку 1.2 Airy unit, чтобы установить размер точечного отверстия на 1.2 Airy unit и проверьте канал FITC. Установите PMT HV как 70, смещение как ноль, интенсивность лазера как 10. Для визуализации границы ядра и интенсивности ядерного пятна проверьте канал цианина 5.
Не нажимайте кнопку устройства 1.2 Airy и установите PMT HV на 70, смещение до нуля и интенсивность лазера до 10. Размер точечного отверстия будет оптимизирован для трехмерной YES-ассоциированной визуализации белка. Затем включите DIA через Элементы.
Откройте спин-вид, используйте яркое поле и настройте фокус объекта, чтобы получить четкое изображение клеток в фокусе. Используйте объектив 10X, чтобы найти подходящие несколько одиночных клеток в трех условиях, таких как клетка с одной микрогранулой внутри, с несколькими микрошариками внутри и без какой-либо микрогранулы внутри. Затем переключитесь на цель 40X и назовите эту позицию соответствующим номером позиции.
Откройте Элементы, нажмите на магнитный поиск, снимите блокировку, затем сканируйте вкладки, затем выберите верхнюю и нижнюю кнопки, чтобы настроить положение Z фокальной плоскости для установки нижнего и верхнего предела для стека Z выбранных ячеек. Остановите сканирование, нажав кнопку Сканировать еще раз. Переключитесь на конфигурацию магнитного ядра YAP и задайте имя файла как before_small_force.nd2.
Нажмите на кнопку запуска с записанным стеком Z. Переключитесь на правый путь света и включите DIA. Откройте вращательный вид и нажмите кнопку записи.
Переместите магнит на 46 миллиметров над дном чашки Петри, вращая ручку движущегося устройства магнита. Сохраните и проверьте видео, чтобы подтвердить смещение микрошариков, вызванное магнитной силой. Повторите процедуру сканирования, установив имя файла как after_small_force.nd2.
Затем переключитесь на правый световой путь, включите DIA и откройте режим вращения, прежде чем нажать на кнопку записи. Покрутите ручку движущегося устройства магнита на высоте до 120 миллиметров над дном чашки Петри и сохраните последовательность изображений или видео с ярким полем. Повторите шаги сканирования, установив для имени файла значение before_large_force.nd2.
Микрошарики не могут излучать флуоресценцию при лазерном возбуждении в канале FITC или цианина 5. Таким образом, интернализованные микрошарики были идентифицированы по темной впадине, расположенной в конфокальной визуализации флуоресценции YES-ассоциированного белка и ядра. Ядерная цикличность не показала существенной разницы между контрольными клетками и клетками с интернализацией микрогранул.
YES-ассоциированное отношение ядра белковой клетки к цитоплазме контрольных клеток, культивируемых совместно с микрогранулой, но без интернализации, и клеток с интернализацией микрошарики также не показало существенной разницы. Деформация ядра и деполимеризация актина были вызваны силой сжатия, приложенной микрошариками в клетках, содержащих цитоскелет. Калибровочная кривая количественного анализа изображений, обеспечиваемая количественной зависимостью смещения силы AFM.
Исходя из этой взаимосвязи, была оценена приложенная сила бусин. Деформация ядра и YES-ассоциированная транслокация белка наблюдались при приложении или высвобождении магнитной силы. Изменения интенсивности YES-ассоциированного белка в зеленом канале и отсутствие изменений в окрашивании ядра в красном канале подтвердили, что вызванная магнитной силой ядерная деформация вызвана транслокацией белка, связанного с YES.
Количественная оценка чистого изменения отношения ядра и цитоплазмы к цитоплазме, связанного с YES, подтвердила, что магнитная сила, приложенная к микрошарикам в цитоплазме, индуцировала транслокацию белка, связанную с YES, и изменила отношение ядра белка к цитоплазме, связанного с YES. Прежде чем прикладывать силу и визуализировать, убедитесь, что клетки усвоили магнитные микрошарики, а бусины находятся в пределах клеточной границы.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Обзор
Это исследование изучает новый протокол применения механической силы непосредственно к ядру клетки с использованием магнитных микробусин в живых клетках, позволяя при этом проводить флуоресцентное визуализирование живых клеток. Эта техника раскрывает механизмы механосенсирования ядра, функционируя без нарушения клеточных процессов.
Ключевые компоненты исследования
Область исследования
- Клеточная биология
- Механобиология
- Техники визуализации
Обзор
- Понимание механосенсирования ядра имеет решающее значение для клеточной функции.
- Существующие методы, такие как оптические пинцеты, являются инвазивными и менее эффективными.
- Магнитные микробусины предлагают неинвазивный метод для изучения этих механизмов.
Использованные методы
- Применение механической силы с использованием магнитных микробусин.
- Визуализация живых клеток с конфокальной флуоресцентной микроскопией.
- Количественный анализ визуализации для измерения деформации ядра, вызванной силой.
Основные результаты
- Применение силы с помощью микробусин привело к деформации ядра и транслокации белка, ассоциированного с YES.
- Нет существенных различий в круговой форме ядра между контрольными клетками и клетками с внутренним поглощением микробусин.
- Исследование подтверждает, что магнитная сила влияет на пути ядерной механотрансдукции.
Выводы
- Этот протокол расширяет понимание механосенсирования ядра.
- Он предлагает неинвазивный подход для исследования клеточной механики и сигнальных путей.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Direct mechanical interrogation of the cell nucleus using 3D magnetic force actuators and live-cell fluorescence imaging enables precise, non-invasive analysis of nuclear mechanotransduction. This approach addresses a critical gap in understanding how nuclear mechanics influence cellular signaling, supporting predictive confidence in early discovery and target validation. The method's quantitative outputs and real-time readouts position it as a strategic asset for mechanistic de-risking and portfolio triage in biopharma R&D.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct testing of nuclear mechanosensing hypotheses independent of membrane and cytoskeletal confounders.
- Supports functional validation of mechanotransduction pathways by quantifying YES-associated protein (YAP) dynamics in response to controlled nuclear deformation.
- Provides mechanistic de-risking by isolating nuclear contributions to cellular signaling, informing target selection and prioritization.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated, live-cell systems for downstream mechanobiology assays.
- Delivers reproducible, quantitative imaging outputs for YAP translocation and nuclear deformation metrics.
- Enables standardization of force application and imaging parameters, supporting assay scalability and platform reuse.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant mechanobiology by modeling nuclear responses to mechanical stress in engineered cell lines.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by providing quantitative biomarkers of nuclear mechanotransduction.
- Reduces translational risk by clarifying the role of nuclear mechanics in cell function and pathology.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling direct, quantitative assessment of nuclear mechanotransduction, supporting both hypothesis-driven research and assay development.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on nuclear mechanosensing and pathway clarification by decoupling nuclear and cytoplasmic effects.
- Screening: Provides reproducible, quantitative imaging outputs for comparative analysis of mechanosensitive responses.
- Analytics: Delivers quantitative measurements of nuclear deformation and YAP translocation for robust statistical analysis.
- Translational Research: Offers mechanistic insights relevant to disease models where nuclear mechanics are implicated.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for mechanobiology studies across diverse cell types and experimental conditions.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by isolating nuclear mechanotransduction mechanisms.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of mechanobiology assays.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and reduces late-stage biological risk through quantitative, real-time readouts.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of mechanosensitive targets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in live-cell imaging, magnetic force application, and quantitative image analysis.
- Needs access to confocal fluorescence microscopy and magnetic actuator instrumentation.
- Demands cross-team standardization of force calibration and imaging protocols.
- Adaptation may be needed for different cell types or mechanosensitive pathways.
- Throughput and force range are limited by microbead internalization efficiency and imaging speed.
