Summary
延时显微镜和图像处理技术用于观察和分析成纤维细胞介导凝胶压实和纤维素纤维在48小时内在环境控制的生物反应器中的重新调整。
Abstract
嵌入胶原蛋白和纤维蛋白凝胶中的细胞在凝胶的纤维上连接并施加牵引力。这些力量可导致凝胶微观结构的局部和全球重组和重组。这个过程以复杂的方式进行，部分取决于细胞的位置、凝胶的几何形状和凝胶上的机械约束之间的相互作用。为了更好地了解这些变量如何产生全球纤维对齐模式，我们使用延时差干涉对比 （DIC） 显微镜与环境控制的生物反应器一起观察几何间隔的外植（成纤维细胞群）之间的压实过程。然后使用自定义图像处理算法分析图像，以获取应变的地图。从这项技术获得的信息可用于探索各种细胞-基质相互作用的机械生物学，这对理解伤口愈合、疾病发展和组织工程应用过程中的流程具有重要意义。
Introduction
研究细胞-基质相互作用的一个重要工具是细胞填充胶原蛋白凝胶1，2。凝胶提供了一个3D环境，更接近组织的 体内 特征，更适合理解细胞行为比传统的2D文化3提供。早期研究发现，成纤维细胞在胶原蛋白凝胶中均匀分布，细胞会迅速巩固胶原纤维并压缩凝胶4，5。自由浮动凝胶中的收缩成纤维细胞，然后在凝胶完全达到压实1，6，7后不久过渡到静止状态。在边界上受约束的凝胶成纤维细胞保持在一个活跃的合成状态8，它们产生纤维对齐的方式依赖于凝胶几何和外部约束5，9。细胞活动的差异似乎是内部张力（或缺乏紧张）的结果，这种张力是细胞通过凝胶中的胶原纤维上的内质素施加牵引力而形成的。
这项技术的一个变种包括将成纤维细胞去除植物（即细胞团）放置在胶原蛋白凝胶中相距一段距离，观察细胞-基质相互作用，以及将外植（有时称为韧带状带）10-12之间的纤维对齐逐渐发展。去植系统的主要优点是，它允许将细胞排列成简单的几何图案，从而更容易可视化和探索细胞驱动的纤维重新调整背后的机制。这些对齐模式（主要取决于细胞牵引力、细胞空间分布、凝胶几何学和凝胶上的机械约束之间的相互作用）非常重要，因为它们在全球组织组织、机械功能和局部机械环境中发挥着核心作用。
在组织工程领域，生产机械功能、工程组织的战略之一是控制细胞压实形成的纤维对齐模式，使工程组织具有类似于原生组织14，15的纤维对齐。这种对齐被认为是工程组织复制原生组织复杂机械行为所必需的。这种策略的修改是用纤维蛋白凝胶16取代胶原蛋白凝胶。纤维蛋白凝胶在压实过程中与胶原蛋白凝胶形成类似的对齐模式。随着时间的推移，纤维蛋白会降解，代之以遵循初始纤维纤维对齐模式的细胞合成 ECM。与胶原蛋白凝胶衍生结构17相比，由此产生的工程结构显著提高了机械性能。
纤维凝胶中的对齐过程和随后的改造事件以复杂且不为人知的方式进行。为了更好地描述这些相互作用及其对细胞行为和 ECM 重塑的影响，我们开发了一种基于去种植法的程序。在这种方法中，成纤维细胞去植以不同的几何图案放置在纤维蛋白凝胶上。凝胶保持在环境控制，显微镜安装的生物反应器18，压实和纤维重新调整的过程监测与延时差干扰对比度（DIC）显微镜。位移字段使用自定义算法进行量化。从这些实验中获得的数据对许多过程有着广泛的影响，包括优化组织工程策略、改善伤口愈合和治疗病理组织重塑。
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Protocol
1. 模具准备
在 Parafilm 上准备一个模具，按照所需的几何形状（图 1A 和 1B）布局每个解释的位置。每个除外植物的空间相距约1-2毫米。此距离相当于在外植物之间生成纤维对齐的理想间距。将模具附在盖玻璃区域下方，用胶带准备样品。
2. 绝育
使用 70% 乙醇彻底清洁生物反应器的所有组件，并在实验前在紫外线下消毒 2-3 小时。如果使用替代容器代替生物反应器，则应使用适当的灭菌技术。有关使用玻璃底培养皿的评论，请参阅第 4.12 步。
3. 纤维凝胶制备
生物反应器的组件消毒后，在盖玻璃表面投下薄薄的纤维蛋白凝胶层。在桑德 等人中描述了为制造6.6毫克/毫升纤维蛋白凝胶而准备纤维蛋白原和血栓库存解决方案的细节。13叶 等人的类似协议。19 制作 3.3 毫克/毫升纤维蛋白凝胶也可以在 JoVE 网站上查看。
- 在 DMEM 中以 1000 万颗珠子/毫升的浓度准备荧光微珠溶液。珠子将用于帮助跟踪凝胶位移。为了达到这种浓度，将 0.017 毫升微珠库存溶液和 0.149 毫升 DMEM 组合成微中管。
- 将此悬架暂停 10 分钟，以分散珠子并使溶液均匀化。
- 纤维素解决方案-在15毫升c管中，将0.22毫升纤维蛋白原库存溶液与0.44毫升20m HEPES缓冲区混合。加入 0.1667 毫升 DMEM，加入步骤 3.1 中创建的微珠。
- 血栓解决方案 - 在单独的 15 毫升 c 管中，混合在一起 0.0328 毫升血栓库存解决方案、0.131 毫升 20 m HEPES 缓冲器和 0.00246 毫升2M CaCl 2 。
- 通过上下管道 5-10 倍，小心地将血栓溶液（步骤 3.4） 与纤维蛋白原溶液（步骤 3.3）混合，直到溶液均匀分布。尽量避免引入气泡。要减少产生的气泡量，在混合时要小心不要完全放电移液器。
- 加入血栓会导致溶液快速凝胶（约30秒）。尽快将混合溶液输送到盖玻璃上。允许凝胶在RT聚合。
- 密封生物反应器，插入加热块，并将热电联连接到温度控制器。在 37 °C 下孵化凝胶 15-30 分钟。
4. 细胞外植准备
- 从含有人类皮肤成纤维细胞的T-75烧瓶中取出介质。
- 小心地用大约5毫升磷酸盐缓冲盐水（PBS）冲洗表面，去除血清蛋白。加入1毫升的肌氨酸-EDTA，孵育3分钟，或直到细胞升高。
- 细胞被提起后，在离心机中旋转悬架200 x g 5分钟。去除超自然物，将颗粒重新用在 DMEM 的体积中，最终浓度为 2000 万个细胞/毫升。
- 当离心机中的细胞向下旋转时，生物反应器与加热块和热联体断开。将生物反应器转移到生物安全柜中，并小心地取下盖子，采用怀疑技术。
- 按照模具上的图案，将细胞悬浮的0.3μl输送到聚合纤维蛋白凝胶上，从而产生去移植物。每个解释应包含大约6，000个细胞。确保使用小容量微皮条客提示（0.1-10 μl）。
- 允许细胞在37°C下在纤维素基质上沉淀并附着在1小时。
- 生物反应器仍然开放，加入约5毫升的DMEM补充10%胎儿牛血清（FBS），1%青霉素链霉素，0.1%氨基丙胺B，和10毫克/毫升阿普罗汀直接进入生物反应室。DMEM是碳酸氢碳酸酯缓冲，需要5%的二氧化碳2来保持中性pH。由于生物反应器未提供 CO2，在使用前 2-3 小时在孵化器中用 5% CO2调节介质。阿普罗汀是一种血清蛋白酶抑制剂，广泛用于降低纤维蛋白降解率20。
- 重新seal生物反应器。使用注射器通过入口端口上的带刺配件提供额外的 5 毫升 CO2条件介质。缓慢分配介质，并确保生物反应器室的整个体积被填充。小心去除生物反应器中形成的气泡。
- 在整个实验过程中，向生物反应器提供新鲜、5% 的二氧化碳条件介质，以维持pH、供应营养物质和清除废品。设置一个注射器泵与10毫升或30毫升注射器充满了5%的CO2条件介质。将注射器直接连接到生物反应器盖上的入口端口，并配有Luer-lock安装的无菌管。取出男性配件，并将管子连接到生物反应器上的带刺配件上（见图 1C）。
- 将灌注率设置为 0.01 毫升/分钟。将经过改装的管子连接到两个出口端口，并将两端放入 100 毫升烧嘴中以收集废物。
- 使用实验室插孔设置入口和插座馈送的高度，以便在生物反应器中不会出现压力差（请参阅 图 1D 以供参考）。
- 如果没有生物反应器，用玻璃顶部在 35 mm 玻璃底培养皿中准备样品。使用具有盖片大小的盖片大小，该尺寸可针对要使用的特定目标集进行优化。在培养皿中准备的样品应保持在37°C和5%CO2的孵化器中。
注意：聚苯乙烯去极化光，并会干扰DIC成像，所以玻璃顶部应该使用，如果DIC成像将进行。相位对比是一种合适的替代成像模式。在孵化器和显微镜之间传输菜肴会使图像注册变得困难。如果图像没有正确注册，则第 6 节计算的应变将不准确。
5. 延时成像
- 样品准备完毕后，重新安装生物反应器，重新连接加热块和热电联，并将生物反应器温度设置为37°C。
- 将生物反应器设置在安装在显微镜上的电动舞台上。将 20X DIC 目标定位在视图端口下。较低的放大目标是可以接受的，特别是如果没有精确的机动化阶段。确保偏振器、分析仪和棱镜都到位。或者，也可以使用相对比度对照样品。
- 打开成像软件。
- 将目标集中在三个解释植物之间的区域。
- 在成像软件中保存此位置的坐标（x、y 和 z）。
- 为了对解释层之间和周围的整个区域进行成像，选择获取大图像并指定区域大小的选项。这将允许在指定区域周围获取多个图像，并创建一个平铺图像，表示样本的较大区域。
- 将暴露时间和光强度设定为尽可能低的值，以避免因光毒性导致的细胞死亡，同时仍然提供足够的分辨率来区分细胞、微珠和纤维纤维。
6. 应变跟踪
有关应变跟踪软件（图2）的详细信息和说明，请参阅拉古帕蒂 等人。21该算法是一个自定义的 MATLAB 代码，可以从 http://www.license.umn.edu/default.aspx下载。请注意，DIC 图像通常有足够的纹理用于应变跟踪。微珠被包括在内，作为对计算菌株场的检查。如果要进行应变跟踪，则在完全相同的位置拍摄所获得的图像以便对图像进行注册至关重要。未注册的图像会产生虚假的菌株。
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Representative Results
组织重塑是一个复杂的过程，部分是由细胞和周围矩阵之间的相互物理相互作用推动的。细胞重组周围的纤维，在光纤网络中产生张力。纤维与机械环境的对齐反过来控制细胞行为，使细胞和基质在全球范围内重组，产生改造后的组织。在这个实验中，外植的细胞，最初在形态上是圆形的，开始延伸到凝胶中，并附着在纤维纤维（图3）上。细胞施加牵引力，通过凝胶传播，并诱导纤维与去液之间的轴平行。几个小时内，"带子"就可见了（图3A）。应变测量还表明，最大的菌株是转口到系外轴（图3D 和 3E）。该区域的菌株最高，因为该地区的纤维可以自由地向轴转换。
该协议为研究细胞诱导矩阵重塑和纤维对齐对细胞行为的影响提供了一个简单的模型。细胞外植的使用为轻松控制细胞簇（即系外植物）的空间分布提供了一种手段。去种植物还集中细胞产生的力，以便纤维对齐在一个可以很容易成像的小区域快速生成。然后，利用去种植物和周围区域的高分辨率瓷砖图像来量化矩阵重组（图3B和3C），以响应实验条件的变化。
图1。（A） 纤维素凝胶上三角系脱粒配置的示意图。（B） 贴在生物反应器视图端口下侧的胶片模具可用于指导去移植位置。（C） 组装的生物反应器位于精密机动化舞台上进行延时成像。注射器泵供应条件介质以恒定速率。烧嘴收集流出介质。它位于适当的高度，以尽量减少生物反应器中的压力差异。
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图2。应变跟踪GUI。左图：在将要分析的 DIC 图像区域上创建网格。右图：该算法基于空间相关性，可查找导致最高相关性的图像（即峰值）之间的像素位移。
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图3。植物间纤维素重组的延时显微镜和应变跟踪。 （A） 通过使用 20X DIC 目标捕获平铺图像，观察到除种层之间的光纤重新调整。从（B） t = 0 小时和（C）t = 24 小时分片图像中提取单个帧，以分析细胞除法器之间区域的纤维重组。（D） 轮廓图显示与"表带"相对应的区域中最大本金菌株的分布情况。
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Discussion
制定此协议的目的是观察和量化参与细胞介质 ECM 改造的机制。这些过程是一些生物现象的基础，对工程组织2，22，减少疤痕1，23，并了解病理组织重塑12，24有重要影响。使用延时 DIC 显微镜可以解决和量化细胞牵引力导致的纤维纤维的位移和对齐。这里观察到的重组是改造过程的第一阶段，它遵循胶原蛋白11中观察到的组织模式。重组之后是纤维素降解和 ECM 合成的组合。改造的重组阶段需要几个小时到几天的时间，而改造过程的合成阶段需要数周时间才能展开。此处描述的系统能够运行数周，因此可以进行调整以监控这些后期事件。
对这项技术的可能修改可能涉及改变系外植物的位置、数量和大小，以创建不同的几何形状并观察对齐模式的差异。通过将外植置于纤维素层之间，也可以将外植物嵌入凝胶中，而不是表面。其他修改可能涉及使用其他纤维形成凝胶代替纤维蛋白，如胶原蛋白，或添加其他细胞外基质蛋白，如纤维素或透明质酸。
无论选择哪组实验变量，实验的成功关键取决于细胞的附着。因此，在添加培养介质之前，必须使用显微镜检查除液剂是否附着在凝胶表面，因为流体剪切可以从纤维蛋白凝胶中去除除除除的外植物。人们可能遇到的另一个挑战是，在将外植的细胞输送到凝胶上时，将它们保持在一起。如果这成为一个问题，可以修改步骤4.4，使细胞颗粒以等量的DMEM和新鲜混合0.5毫克/毫升重组的I型胶原蛋白。加入稀释量的胶原蛋白有助于保持外植细胞在一起。这个过程可以与格林内尔 等人开发的嵌套胶原蛋白基质方法进行比较，其中细胞迁移和胶原蛋白微结构的变化也可以通过将细胞填充的胶原蛋白凝胶放入乙酰胶原蛋白凝胶25，26来研究。在整个实验中获取聚焦图像也非常重要。保持焦点可能很困难，因为随着凝胶的压缩和厚度的降低，去剂向下移动。因此，只要凝胶紧凑，就需要重新聚焦。最后，由于机械张力过大、纤维素降解或两者的某种组合，在实验过程中，除草机可能会与凝胶分离。如果纤维因机械张力而撕裂，可以尝试减少去移植中的细胞数量，并增加凝胶中纤维蛋白的浓度。我们观察到分离问题，由于纤维素在除液周围的降解，当普拉斯明抑制剂，如蛋白（如这里使用）或环龙-氨基丙酸（ACA）被纳入介质时消失。
我们选择使用DIC作为我们这些实验的成像方式，因为DIC允许人们长时间对光纤和纤维对齐过程进行成像，从而最大限度地减少暴露在光线下的细胞损伤（即光毒性）。相位对比成像也可以使用，但单个光纤的分辨率低于DIC。然而，这两种成像方式都不能提供有关在平面外（即通过样品厚度）发生的光纤重新调整的信息，因此对数据的解释应铭记这一局限性。这种信息可以通过共聚焦显微镜获得，前提是在设置实验时解决光毒性的潜在问题。最后，DIC 图像包含对比度梯度（即剪切轴），以依赖角度的方式影响纤维的可见度。因此，某些光纤方向将比其他方向更容易可视化。
该技术的未来应用可能涉及观察边界条件、去植物到去种距离以及凝胶对纤维重组的几何形状的影响。此处使用的应变跟踪算法等图像分析技术可用于量化这些因素如何促进凝胶重组和改造过程。例如，我们发现具有固定和自由平面边界的三角系子的应变场有可量化的差异。这项技术还有助于解剖细胞迁移和组织重塑中涉及的机械生物学途径，以及这些过程如何被各种生化物质调节。这些数据也可以用作开发计算模型和评估其预测能力的宝贵投入。
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Disclosures
未声明任何利益冲突。
Acknowledgments
我们感谢乔治·朱迪斯和史蒂文·埃利亚森捐赠人类皮肤成纤维细胞和拉梅什·拉古帕蒂帮助与应变跟踪算法。这项工作由美国教育部国家需要研究金领域的研究生援助（GAANN P200A120071）提供。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sigma-Aldrich | F8630 | ||
| Sigma-Aldrich | T4648 | ||
| Gibco | 11965-092 | ||
| Gibco | 15140-122 | ||
| Sigma-Aldrich | A2942 | ||
| Sigma-Aldrich | H0887 | ||
| Sigma-Aldrich | 223506 | ||
| Gibco | 25200-056 | ||
| Invitrogen | 3000 | ||
| Lonza | DE14-701F | ||
| Molecular Probes | F8858 | ||
| GIBCO | A10483-01 | ||
| GIBCO | 11430-030 | ||
| Fisher-Scientific | SS264-1 | ||
| Sigma-Aldrich | A3428-25MG | ||
| Biotense Bioreactor | ADMET | ||
| Ti-Eclipe Microscope | Nikon | ||
| # 0 35 mm Glass Bottom Petri Dish | MatTek | P35G-0-20-C | |
| # 0 35 mm Glass Top Petri Dish | MatTek | P35GTOP-0-20-C | |
| Plastic Luer fittings, PVC tubing with Luer ends | Cole-Parmer | 30600-65 |
References
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