Nanotopologie der Zelladhäsion auf Variable-Angle Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy (VA-TIRFM)
Summary
Topologie der Zelladhäsion auf einem Substrat mit Nanometer-Präzision durch verstellbarem Winkel Totalreflexion Fluoreszenzmikroskopie (VA-TIRFM) gemessen.
Abstract
Oberflächentopologie, z. B. von Zellen wachsen auf einem Substrat, mit Nanometer-Präzision durch unterschiedlichen Winkeln Total Internal Reflection-Fluoreszenzmikroskopie (VA-TIRFM) bestimmt. Zellen werden auf transparente Folien kultiviert, gewaschen und mit einem fluoreszierenden Marker homogen in ihrem Plasma Membran verteilt. Beleuchtungssystem tritt durch einen parallelen Laserstrahl unter variablen Winkeln der inneren Totalreflexion (TIR) mit unterschiedlichen Eindringtiefen der evaneszenten elektromagnetischen Feldes. Aufzeichnung von Bildern bei Bestrahlung Fluoreszenz bei etwa 10 unterschiedlichen Winkeln ermöglicht, Zell-Substrat-Abstände mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern berechnen. Unterschiede der Haftung zwischen verschiedenen Zelllinien, zB Krebszellen und weniger malignen Zellen werden somit bestimmt. Darüber hinaus können eventuelle Änderungen der Zelladhäsion auf chemische oder photodynamischen Behandlung geprüft. Im Vergleich mit anderen Methoden der super-hochauflösenden Mikroskopie Belichtung gehalten wirdsehr klein, und keine Beschädigung der lebenden Zellen erwartet wird.
Introduction
Wenn ein Lichtstrahl durch ein Medium ausbreitet der Brechungsindex n 1 eine Schnittstelle erfüllt, um ein zweites Medium mit einem Brechungsindex n 2 <n 1 tritt Totalreflexion an alle Einfallswinkel Θ, der größer als der kritische Winkel Θ c = sind arcsin (n 2 / n 1). Obwohl sie total reflektiert das einfallende Lichtstrahl Wucht einem evaneszenten elektromagnetischen Felds, das in das zweite Medium und nimmt exponentiell mit senkrechten Abstand z von der Grenzfläche eindringt gemäß I (z) = I 0 ez / d (Θ). I (z) entspricht der Intensität des elektromagnetischen Feldes und d (Θ) zu der Eindringtiefe bei der Wellenlänge λ, wie gegeben durch
d (Θ) = (λ/4π) (n 1 2 sin 2 Θ – n 2 2) -1 / 2
Wie in der Literatur 1,2 berichtet, 0 I </ssub> entspricht der Intensität des einfallenden Lichts I e mit der Transmissionsfaktor T (Θ) und dem Verhältnis n 2 / n 1 multipliziert. Wenn der elektrische Feldvektor des Lichts polarisiert ist senkrecht zur Einfallsebene (dh die Ebene, die durch den einfallenden und den reflektierten Strahl aufgespannten) wird diese Transmissionsfaktor gegeben durch
T (Θ) = 4 cos 2 Θ / [ein – (n 2 / nL 1) 2]
Für den erfassten Fluoreszenzintensität in TIRFM Messungen hat Lichtabsorption, über alle Schichten der Probe integriert werden und multipliziert mit der Fluoreszenzquantenausbeute η des jeweiligen Farbstoff sowie mit der Raumwinkel Ω Detektion. Wie bereits berichtet 3, kann diese Intensität beschrieben werden durch
I F (Θ) = AT (Θ) OC (z) e-z / d (Θ) dz
wenn alle Faktoren f die unabhängig sind rom der Einfallswinkel Θ und die Koordinate z innerhalb des experimentellen konstanten A. Gleichung 3 enthalten kann analytisch gelöst werden, wenn die Konzentration c (z) von Fluorophoren vorliegt, gilt als nahezu konstant
– Entweder überhaupt Koordinaten z ≥ Δ, im Zytoplasma von Zellen mit einem Abstand Δ von der Schnittstelle zB. In diesem Fall weist das Integral von z = Δ bis z = ∞ was zu berechnen
I F = A c T (Θ) d (Θ) e-Δ / d (Θ)
– Oder zwischen z = Δ – t / 2 und z = + Δ t / 2, dh innerhalb einer dünnen Schicht mit einer Dicke t, zB einer Zellmembran in einem Abstand Δ von der Schnittstelle angeordnet ist. In diesem Fall kann die Fluoreszenzintensität berechnet werden als
I F = A c T (Θ) te-Δ / d (Θ)
wenn t im Vergleich mit Δ klein.
Wie bereits berichtet 3, Bildaufnahme und Auswertung benötigt
– Homogene Verteilung von Anregungslicht über die Probe,
– Gültigkeit einer 2-Schichten-Modells (mit den Brechungsindizes n 1 und n 2 für das Substrat und das Zytoplasma, jeweils). Dies gilt, wenn die Plasmamembran ist sehr dünn, und wenn die Schicht aus dem extrazellulären Medium (zwischen der Zelle und dem Substrat) klein ist im Vergleich zur Wellenlänge des einfallenden Lichts.
Zusätzlich kann eine moderate numerische Apertur(Typischerweise A ≤ 0,90) des Mikroskops Objektivlinse ist vorteilhaft, Abweichungen der Helligkeit aufgrund Anisotropie von Strahlung im nahen Feld des Dielektrikum-Grenzfläche zu vermeiden.
Protocol
Discussion
Es wird ein Verfahren zum Messen Zell-Substrat-Abstände mit Nanometer-Präzision beschrieben. Derzeit Methoden der super-hochauflösenden Mikroskopie, zB auf strukturierte Beleuchtung 7 oder auf Einzelmoleküldetektion 8-10 sowie stimulierte Emission Depletion (STED) Mikroskopie 11 sind von großem Interesse basiert. Keine dieser Techniken erlaubt jedoch eine axiale Auflösung unterhalb von 50 nm aufweist. Darüber hinaus relativ hohe Bestrahlungsstärke von 50100 W / cm 2…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken dem Land Baden-Württemberg und die Europäische Union Europäischer Fonds für regionale sterben Entwicklung – für die Finanzierung ZAFH-PHOTON n, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Finanzierung von Forschung Grant No. 1792C08 sowie die Baden-Württemberg-Stiftung GmbH für die Finanzierung des Projekts "Aurami".
Materials
| Name | Company | Type | Comments |
| Incubator | Nunc | Nunc Cellstar QM1300SVBA |
|
| Laminar flow | Holten Safe | S2010 1.2 EN GG 1LN | |
| DMEM + 10%FCS + 1 % Penicillin / Streptomycin | BIOCHROM | Cultivation medium | |
| Glass object slides | Marienfeld | Pure white glass | Special cleaning procedure used |
| 6-dodecanoyl-2-dimethylamino naphthalene (laurdan) | Molecular Probes | Fluorescent marker (Stock solution: 2 mM in ethanol) | |
| Microscope | Carl Zeiss | Axioplan 1 | |
| Laser diode | PicoQuant | LDH 400 with driver PDL 800-B | Wavelength: 391 nm |
| Single mode fiber system | Point Source | kineFlex | Used with collimating optics |
| EMCCD camera | Andor | DV887DC | Back illuminated camera |
References
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