Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

Новый метод для локализации Reporter флуоресцентные шарики Ближних культуре клеток для увеличения силы сцепления силовой микроскопии

doi: 10.3791/51873 Published: September 16, 2014

Summary

Традиционные методы изготовления полиакриламид (PA) гели, содержащие флуоресцентных зондов включают прослаивая гель между примыкающей поверхности и стекло. Здесь мы показываем, что покрытия этот слайд с поли-D-лизина (PDL) и флуоресцентных зондов локализуется зондов с точностью 1,6 мкм от поверхности геля.

Abstract

PA гели уже давно используются в качестве платформы для изучения клеток силы тяги, благодаря простоте изготовления и возможность настроить свои эластичные свойства. Когда подложка покрыта белком внеклеточного матрикса, клетки придерживаться геля и применять силы, в результате чего гель деформироваться. Деформация зависит от клеточного тяги и упругих свойств геля. Если поле деформация поверхности, как известно, поверхность тяги может быть рассчитана с использованием теории упругости. Гель деформации обычно измеряется путем встраивания флуоресцентным маркером шарики равномерно в гель. Зонды вытеснить как гель деформируется. Зонды вблизи поверхности геля отслеживаются. Смещения, о которых сообщают эти зонды считаются смещений поверхности. Их глубины от поверхности игнорируются. Это предположение вводит ошибку в оценках силы тяги. Для точного измерения клеточных сил, она имеет решающее значение для расположения бусинок, чтобы быть известным. Мы разработалитехника, которая использует простой химию ограничиться флуоресцентные бусы маркеров, 0,1 и 1 мкм в диаметре, в ПА гелей, в 1,6 мкм от поверхности. Мы пальто покровное с поли-D-лизина (PDL) и люминесцентных бисером. Раствор геля ПА затем зажата между покровным и примыкающей поверхности. Флуоресцентные шарики передать в растворе во время затвердевания геля. После полимеризации гель PA содержит флуоресцентные бусы на плоской близко к поверхности геля.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Механическое взаимодействие живой клетке с местной окружающей среды имеет обычно были изучены с помощью PA гели. Эти субстраты полагаться на простой, хорошо характеризуется протоколом, принятым Дембо и Ван в 1997 году 1. Одним из основных преимуществ этих субстратов является то, что их жесткость может быть настроена путем изменения концентрации специфических компонентов раствора геля. Это обеспечивает желаемый платформу для изучения взаимодействия клеток с средах различной жесткостью. Когда PA гели покрыты внеклеточного матрикса (ECM) белков, клетки их придерживаться, создавая силу. В результате клетки силы, гель деформируется как упругое тело. Эта деформация зависит от величины силы, приложенной клетками и упругих свойств геля. В разных работах использовались PA гели для расследования клеточные силы тяги.

В одном из вариантов изготовления геля Звуковая, флуоресцентные микросферы (бисер) встроены тhroughout гель для количественного клеток тяговые силы на гелях различной жесткостью 2. По заявлению клеток силы, шарики вытеснить из исходного местоположения следующей деформации геля. Поле деформация измеряется от отдельных смещений бортов. Это поле деформации используется с теории упругости и упругих свойств геля для вычисления силы тяги. Эти измерения дают представление о том, как клетки механически чувствовать и взаимодействовать с их микроокружения 3.

Во многих широко используемых ПА изготовления геля протоколов, шарики перемешаны по всему геля ООПТ в жидком, неполимеризованного государства. Полностью полимеризованный ПА гель содержит флуоресцентные шарики по всему объему. При вычислении клеток тяговые силы, бусы большинство вблизи поверхности геля (интерфейс клеток-подложка) контролируются. Смещения этих шариков, как предполагается, возникает на поверхности клеточной культуры для простоты в силовом calculatioн. Фактическое расположение шариков в пределах глубины геля не учитывается. Тем не менее, в упругой среде (например, PA гель), шарик ближе к точке приложения силы перемещается больше, чем шарик, который дальше от точки. Таким образом, лечение смещение точки (по месту нахождения борта) дальше от поверхности, что и на поверхности приводит к недооценке сотовых тяг. Степень погрешности зависит от расстояния борта из поверхности. Ошибка не может быть оценена без ведома расположения шарика.

Необходимость в простом способе ограничиться бусы очень близко к поверхности клеточной культуры была решена на несколько приемов. Один путь состоит в том, чтобы увеличить плотность шариков по всей гель таким образом, что имеется достаточное количество шариков в верхней фокальной плоскости для измерения движения в непосредственной близости от поверхности. Другой метод предусматривает строительство конфокальной изображения камеры для получения изображений живых клеток таким образом, что свет оттолько бусы в верхнем наиболее фокальной плоскости собираются 4. Другой метод предполагает наложение чрезвычайно тонкий слой Звуковая геля, содержащего бусы поверх уже полимеризованном геля без шариков 5. Недостатком каждого из этих методов в том, что точное местоположение шариков в геле не известно. Это вносит ошибку в расчете поля смещения гранул, и, таким образом, при расчете клеток сил. Другой способ включает сопряжение из бисера на верхней поверхности уже полимеризуется Звуковая геля с использованием сульфо-SANPAH 6. Эта методика обеспечивает шарики действительно только на верхней части геля PA, но степень, в которой они включены в глубине геля неизвестно. Потенциально это может создать локальную топографию для клеток, которые могут изменить поведение клеток, как до работы предположил, что клетки могут ощутить силы несколько микрон Гости 7. Недавно, техника для рисунка PA гели с диаметром 1 мкм фluorescent фибронектин точечные маркеры в регуляризированной массива была создана 8. В этом случае глубина флуоресцентных маркеров, как известно, и, по существу, равен нулю, так как картина фибронектин косвенно напечатан на поверхности геля. Однако этот способ не обеспечивает непрерывную среду, на которой клетки могут приложить, как белок ЕСМ ограничен точками диаметром 1 мкм. Способ полной интеграции трекер бусы в ПА гелей и ограничивая их в известном месте в непосредственной близости от поверхности до сих пор не установлено.

Здесь мы разработать методику, чтобы ограничить суб-мкм до диаметра мкм флуоресцентные шарики в фокальной плоскости очень близко к поверхности клеточной культуры в ПА геля. Гель обычно отверждают с помощью сэндвич Неполимеризованные раствор жидкий гель между двумя стеклянными пластинами. Одна из пластин функционализированные таким образом, что гель сильно прилипает к ней. Другой нефункционализованного и удаляется после гель лечения. Мы изменить этот съемный стакан всrface покрытием его слоем шариков. После сэндвич жидкий гель между функционализированного и бортового покрытием поверхности стекла, передача шарики с гелем, пока он отверждения. Это ограничивает расстояние интеграции шарики "в гель в течение 1,6 мкм от поверхности. Блюда с прозрачным дном Петри используются в качестве адгезивного поверхности, на которой гель отвержденной. Чтобы сформировать плоскую верхнюю поверхность геля при полимеризации, круговая скольжения стеклянная крышка используется для сэндвич гель с стеклянным дном чашки Петри. Перед изготовлением гель, сверху покровным стеклом покрывают поли-D-лизина (PDL), что дает положительный поверхностный заряд. PDL сдувается сжатым воздухом, и раствор шариков в воде, осаждается на покровных стеклах. Мы используем карбоксилированные флуоресцентные микрошарики, которые несут отрицательный заряд, и взаимодействовать с положительно заряженной поверхности, образованной путем обработки PDL. После продувки борта решение от покровного стекла сжатым воздухом, одного слоябусины остается электростатически соединен с сухим покровным стеклом. PDL покрытие не влияет на адгезию стекла к поверхности геля, как стеклышки не повреждены и удалены от ПА геля полностью нетронутыми.

Стеклянные дном чашки Петри изготовлены прилипший путем обработки 97% 3-аминопропил-trimethoxysliane и 0,5% глутарового альдегида. PA гели желаемых жесткости создаются путем смешивания соответствующих концентраций бис-акриламида и акриламида с помощью стандартной процедуры 9. Каплю раствора гель наноситс пипеткой на стеклянным дном чашки Петри. Скольжения стеклянная крышка, содержащий бусинки используется для сэндвич гель с чашки Петри. Когда гель отверждается, в верхней покровное стекло удаляется оставив шариков, погруженных в геле PA пределах 1,6 мкм от поверхности.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Изготовление и функционализации PA гели различной жесткости с люминесцентными микросфер встроенных вблизи поверхности клеточной культуры.

1 функционализирующими верхнее стекло покровные стекла

  1. Чистые скользит стекла крышка (# 1,0, 12 мм диам.) С мылом и водой, затем этанолом, чтобы удалить посторонние пыли.
  2. Место стеклянная крышка скользит на тертый поверхности (т.е. пипетки держателя наконечника), что они не соприкасаются, чтобы облегчить легкость взаимодействия с покровные.
  3. Шерсть вся поверхность крышки скользит с поли-D-лизина (0,1 мг / мл) в течение 1 часа (фиг.1А).
  4. В течение этого времени, выполнить 1: 10000 разбавление коллоидного раствора диаметром 0,1 мкм, красный флуоресцентные микросферы с деионизированной (ДИ) воды, чтобы получить плотность частиц примерно 1 микросфер в 20 мкм 2 на поверхности геля. На рисунке 2 представлены результаты различных разведениях. Это dilutioн может быть изменен, чтобы удовлетворить потребности конкретных экспериментов.
  5. Поместите разбавленный раствор в ультразвуковой ванне воды в течение 30 мин.
  6. Через 1 час, использовать пинцет, чтобы аккуратно поднимите каждый покровное и высушите воздухом. Вернуться сухие промахи обложки к этому тертым поверхности.
  7. Снимите разбавленный коллоидного раствора от ультразвуковой ванне и пипетки 150 мкл на каждую покровным. Оставьте на 10 мин (Рисунок 1В).
  8. Используйте пинцет, чтобы аккуратно поднимите каждый покровное и высушите воздухом. Вернуться сухой крышка не скользит в тертым поверхности и хранить в темноте, пока готов к использованию.

2 Подготовка PA гель непосредственно на стеклянным дном чашки Петри

  1. Разогреть конфорка до 100 ° C.
  2. Выложите нужное количество стеклянным дном чашки Петри (35 мм блюдо с 14 мм микро-ну # 1.0) на плоской поверхности в химическом вытяжном шкафу.
  3. Покройте стеклянную часть каждого Петри микро-скважины с 97% 3-аминопропилсульфокислоты-trimethoxysлиана (3-APTES) в течение 7 минут для химической активации. Принять меры предосторожности, чтобы избежать случайного капает из 3-APTES к поверхности пластика в чашку Петри, чтобы избежать деградации полистирола.
  4. После 7 минут, заполнить чашку Петри с дистиллированной водой и выбросить в контейнер для отходов.
  5. Повторите шаг 2,4 3x для каждого блюда, а затем встряхните чашку Петри, чтобы удалить излишки воды. Поместите чашки Петри на горячей плите, пока стекло часть не высохнет.
  6. Снимите чашки Петри с горячей плите и вернуться к плоской поверхности в химическом вытяжном шкафу.
  7. В химическом вытяжном шкафу, чтобы раствор 0,5% глутарового альдегида и самого стекла часть каждой чашке Петри и с раствором в течение 30 мин. Принять меры предосторожности, чтобы избежать случайного капание в глутарового альдегида к поверхности пластика в чашку Петри, чтобы избежать деградации пластика.
  8. Через 30 мин, заполнить чашку Петри с дистиллированной водой и выбросить в контейнер для отходов, чтобы промыть и удалить glutaraldehyde.
  9. Повторите шаг 2,4 3x для каждого блюда, а затем встряхните чашку Петри, чтобы удалить излишки воды. Поместите чашки Петри на горячей плите, пока стекло часть не высохнет.
  10. Перед смешиванием компонентов раствора геля Звуковая, двигаться функционализованных стеклянные слайды в химическом вытяжном шкафу, так что они были легко доступны, что позволяет для быстрого многослойного композитного геля с стеклянным дном чашки Петри, после перемешивания раствора геля.
  11. В 15 мл центрифужную пробирку, перемешивают 40% бис-акриламид, 2% акриламида и акриловой кислоты в непосредственной последовательности в концентрациях, указанных в таблице 1 (адаптировано из опубликованного протокола 10) для достижения желаемого матрицу эластичность.
  12. Добавить 100 мМ HEPES, 10% персульфат аммония, и TEMED в количествах, указанных в таблице 1, соответствующих требуемой матрицы упругости, чтобы завершить раствор геля.
  13. Сразу же пипеткой 15 мкл раствора геля на центр стеклянной частииз чашки Петри.
  14. Сразу подобрать модифицированного стекла покровным с помощью пинцета.
    1. Переверните покровным стеклом над такими, что флуоресцентные бусы на стороне контакта с гелем решения.
    2. Lay покровное стекло слегка в верхней части теперь жидкого геля PA таким образом, что функционализированный сторона находится в контакте с гелем (рисунок 1С). Примечание: Для получения наилучших результатов, второй человек рекомендуется для роли добавив покровное, чтобы избежать возможность частичного полимеризации в то время пипетки жидкий раствор геля PA на нескольких чашках Петри.
  15. Флип все чашки Петри над оказать помощь в уклонении от тяжести последствий для люминесцентных наночастиц полимеризующих в более низких уровнях геля PA.
  16. Подождите не менее 35 минут, или до тех пор, раствор ПА геля не заметно полимеризуется в центрифужную пробирку.
  17. Переверните чашки Петри снова и заполнить их с ФБР, чтобы помочь с удалением покровное.
  18. Осторожно установить контакт с стеклянной части чашки Петри и набросках покровным, с помощью пинцета, чтобы очистить окружность покровным. Выполните несколько циклов, пока покровное не выбили. Снимите покровное и распоряжаться надлежащим контейнера колющих отходов.
  19. После удаления всех покровных стеклах, флуоресцентные шарики будут переданы геля (Рисунок 1D). Покройте гели PA полностью с PBS, поместите блюдо крышкой Петри на каждую чашку, и хранят при температуре 4 ° C.

3 функционализирующими PA гель с Фибронектин

  1. Подготовьте следующие предварительно смешанные растворы, как описано в установленном протоколе 11: смачивающий раствор (137 мМ NaCl, 5% (об / об) глицерина) и 2x сопряжения буфера (0,2 М 2-(N -morpholino) этансульфоновой кислоты (MES), 10 % (об / об) глицерина, рН 4,5).
  2. Используйте вакуумный насос в биологической капотом, чтобы удалить все PBS от стеклянным дном блюд, содержащих гели PA.
  3. ВнеситеТе впитать раствора на каждый гель, так что гель полностью погружен в воду. Инкубируют при комнатной температуре в течение по крайней мере 1 часа.
  4. Теплый 1-этил-3-[3-диметиламинопропил] карбодиимида (EDC) и N -hydroxysulfosuccinimide (NHS) до комнатной температуры.
  5. Смешайте 10x решения EDC (150 мм, 19 мг / мл в дистиллированной водой) и NHS (250 мм, 29 мг / мл в дистиллированной водой).
  6. Смешайте 1 часть 10x EDC, 1 часть 10x NHS, 3 частей деионизированной воды и 5 частей 2x буфера конъюгации.
  7. Используйте вакуумный насос в биологической капотом удалить впитать решение. Убедитесь, что все жидкости удаляют с поверхности геля.
  8. Добавьте достаточно решение NHS / EDC, чтобы покрыть поверхность геля и заполнить стеклянным дном колодец чашке Петри (150-250 мкл). Выдержите при комнатной температуре в течение 30 мин в темноте.
  9. Оттепель фибронектин при комнатной температуре. После оттаивания, смешать стерильной DI воды, чтобы создать 50 мкг / мл фибронектина решение.
  10. Используйте вакуумный насос в биологической капотом удалить Солу NHS / EDCции. Убедитесь, что все жидкости удаляют с поверхности геля.
  11. Добавить 150 мкл раствора фибронектина, чтобы каждый гель. Инкубируют при комнатной температуре в течение 35 мин, чтобы позволить для прикрепления фибронектина.
  12. После 35 мин, добавить PBS в каждую чашку Петри и хранить при температуре 4 ° С в течение 2 недель.

4. Тяговое усилие Эксперименты

  1. Теплый клеток массовой информации, PBS, и трипсина до 37 ° С на водяной бане.
  2. Промыть гели 5x стерильной PBS, аспирационных PBS между полосканий, и оставьте покрыты в капюшоне.
  3. Добавить 1 мл трипсина на 25 см 2 в колбу, содержащую клетки. После клетки поднял из колбы, разбавить трипсин с сотовых СМИ и считать клетки. На основе площади поверхности геля, определить количество клеток, необходимых на гель для конечной плотности посева клеток 3000 клеток / см 2. Развести или концентрат суспензии, такие, что 150 мкл клеток-медиа смеси содержит это число клеток. Аликвотные 150 мкл клеток suspensион на каждый гель.
  4. Поместите чашки Петри, содержащие клетки в инкубаторе в течение 30 мин. Затем аккуратно удалить чашки Петри и заполнить оставшуюся часть чашки Петри с медиа (приблизительно 2 мл), что поверхность блюдо полностью погружен.
  5. Поместите чашки Петри обратно в инкубатор до получения изображения.
  6. Подготовьте микроскоп и данных системы сбора для визуализации: вставьте иммерсионный объектив 40x воды, вставить Дифференциальный интерференционного контраста (DIC) призмы, выберите mCherry или эквивалентную флуоресцентный фильтр, и включите камеру искусственного климата.
  7. Когда готовы к визуализации, удалить одно блюдо Петри из инкубатора и осторожно положите на предметный столик микроскопа. Снимите блюдо крышкой Петри для визуализации DIC.
  8. Найдите одну ячейку и захватить одной фотографии ячейки в ДВС.
  9. Не перемещая столик микроскопа, переключить режим отображения, чтобы флуоресценции. Сосредоточьтесь на флуоресцентных микросфер и РЭЦOrd образ микросфер.
  10. Осторожно снимите клеток носитель из чашки Петри с помощью пипетки и добавить 0,05% трипсин-EDTA.
  11. Изображение микросферы под клетки после того, как клетки отдельно.
  12. Изображение велосиметрия (PIV) анализ использования частиц в ImageJ 12 вычислить смещения поля в связи с сотовой сил.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Конфокальной изображения была использована для определения, что шарики были действительно под поверхностью геля и количественной оценки их точное местоположение в пределах глубины гель. Флуоресцентные шарики с другой длиной волны, чем те, внутри геля давали осесть на поверхности, и расстояние между встраиваемых люминесцентных наночастиц и тех, на поверхности была рассчитана с использованием алгоритма идентификации центроид. Расположение буртика на поверхности геля служит ссылкой на верхней поверхности гель-клетки, где применить силу при соблюдении поверхности. Схема двух сценариев, рассмотренных (зеленый бисер в геле с красными бусами на поверхности, и наоборот) показана на рисунке 3. Алгоритм интерполирует Z-высоты трехмерной центроидного месте. Мы повторили этот процесс для трех гелей жесткости (1, 10 и 40 кПа) и двух размер (диаметр) люминесцентных шариков (0,1 мкм красный и 1 мкм желто-зеленый). Расстояниемежду шарик внутри геля и его ближайшего соседа с другой длиной волны была определена на основе его трехмерной тяжести. Рисунок 4 показывает пространственное распределение шариков (на верхней поверхности и встроенные) и прогнозируемый вид на YZ плоскости. Последний обеспечивает глубину всех шариков с поверхности геля.

Средняя глубина 0,1 мкм шариков 619 нм, 467 нм, 278 нм для PA гелей жесткости 1, 10 и 40 кПа соответственно (5А). Соответствующие глубины для бусин диаметром 1 мкм являются -20 нм в 40 кПа гели, 12 нм 10 кПа гелей и 1255 нм в 1 кПа гелей (Рисунок 5б). Конфокальной изображения также была проведена на гели с бисером, рассеянных по всему геля, как традиционно используется для ПА гелей, предназначенных для тяги силовой микроскопии исследований. Глубина шариков рассредоточены по всей гель PA была измерена с использованием того же алгоритма, описанные ранее, и сравнивают с Depths использующие технику мы представляем здесь. Рисунок 6 иллюстрирует изменчивость борта дисперсии в пределах глубины геля Звуковая используя традиционные методы изготовления.

Фибробласты приложить к поверхности геля Звуковая когда функционализирован фибронектина. Поле смещений для фибробластов клетки и соответствующей люминесцентные бисером слоя показаны на рисунке 7. Бусины рядом периферии изображения появляются немного не в фокусе. Это не механический дефект на части геля, как стекло остается полностью неповрежденным при удалении из геля. Скорее всего, это результат оптического эффекта за счет погружения в воду цели использовали в этом эксперименте. При добавлении трипсина к среде, клетка высвобождается с поверхности, в результате чего возвращения деформированной поверхности гель Звуковая к исходному состоянию. Алгоритм кросс-корреляция была использована для расчета поля деформаций на основе бортовых перемещений 10.карты смещения иллюстрирует доминирующее поляризацию клеток тяговых сил в направлении у.

Рисунок 1
Рис.1 Иллюстрация процесса функционализации для верхней крышки стеклянной скользит с PDL и люминесцентных бисером. (A) Стекло покровные стекла (синие) инкубируют с 0,1 мг / мл PDL (оранжевый) в течение 1 часа. Сжатый воздух используется, чтобы взорвать крышка скользит сухой и удалить PDL. (В) стекла покровные стекла инкубируют с раствором диаметром 100 нм флуоресцентных шариков в течение 5-10 мин, а затем удалена с применением сжатого воздуха. Один слой шариков остается электростатически соединен с покровным. (С) покровные функционализированный шариков используются для сэндвич-PA геле с активированной поверхностью стекла. (D) После удаления верхней покровным стеклом следующие гель polymerizat PAионный, шарики расположены в пределах и в непосредственной близости от поверхности геля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2
Рисунок 2 PA Гель поверхность, содержащая диаметра 0,1 мкм флуоресцентные шарики. До покрытия PDL-обработанную лучших стеклянную крышку скольжения с бисером, решение шарик разбавляют (A) 10000 раз (3,64 х 10 8 шариков / мл) и (В) 20000 раз (1,82 х 10 8 бисер / мл). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3 Рисунок 3 Интерфейс сотовый субстрат-бусами, локализованных вблизи поверхности геля. Схематическое из двух сценариев, в которых шарик расположение в геле PA количественно с помощью конфокальной микроскопии и центра тяжести алгоритма идентификации. Первый сценарий показан на (А) Красные бусы диаметром нм 100 внутри геля и зеленых шариков диаметром 1 мкм на поверхности, и второй в (B) зеленый бисер мкм диаметра 1 внутри геля и красным бисером диаметра нм 100 на поверхность. (C) мультфильм иллюстрации клетки (желтый) присоединились к гелю (синий) с красным бисером локализованных внутри геля вблизи его поверхности и зеленой бусинки, сидя на ее поверхности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этот показатель.

Рисунок 4
Рисунок 4 конфокальной ломтик (XY, в центре) и сопровождающих YZ (слева) проекционные виды геля с красными 0,1 мкм шариков, погруженных в геле и 1 мкм бусы на поверхности. Единицы для всех осей в нанометрах. Иногда вхождения красным бисером выше или в той же плоскости, зеленых бусин приписывается небольшим перекрытием в спектрах флуоресценции для красного (mCherry) и зеленый (GFP). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5 Гистограммы глубине бусинок около верхней поверхности Звуковая геля. Жесткости 1 кПа, 10 кПа, и 40кПа представлены синий, красный, и черный, соответственно. Кривой Гаусса был пригоден каждого набора данных и х-значение, соответствующее его амплитуды интерпретируется как средняя глубина бисером. Два сценария были испытаны:. () 0,1 мкм шарики внутри геля с 1 мкм бусы на поверхности, и (Б) 1 мкм шарики внутри геля с 0,1 мкм бусы на поверхности Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этого фигура.

Рисунок 6
Рис.6 Гистограммы глубине бисером встроенного произвольно по всей Звуковая геля с использованием традиционного метода изготовления (черный) и бусы, локализованные вблизи верхнего слоя Звуковая геля с использованием этой техники (красный) для ПА гелей жесткости А) 1 кПа, B) 10 кПа,и C) 40 кПа. Врезка показывает глубину бисера в обоих типов геля внутри верхней наиболее 10 мкм геля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7
Рисунок 7 Поле перемещений за счет клеток тяги. () Фазового контраста образ фибробластов на 10 кПа геля. (B) Объем поле, генерируемое тяги порожденной фибробластов. Цвет полоса указывает шарик смещение в нанометрах. (C) флуоресценции образ бисера диаметром 0,1 мкм от ячейки до трипсинизации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.


Рисунок 8 Иллюстрация среднем месте шариков внутри геля по отношению к другому размер / длина волны шарик сидит на поверхности геля. Жесткость геля уменьшается ПА слева направо (40 кПа, 10 кПа, 1 кПа). () Красные бусы диаметром 0,1 мкм внутри геля и зеленых шариков диаметром 1 мкм на поверхности. (B) Зеленые шарики диаметром 1 мкм внутри геля и красным бисером диаметра 0,1 мкм на поверхности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры .

Рисунок 9
Рисунок 9 Distribution теоретических значений τ / μ, основываясь на различных глубинах шарик. бусины 0,1 мкм в диаметре, были либо равномерно диспергируют или локализованные вблизи поверхности в (а) 1 кПа гелей, (B) 10 кПа гели, и (с) 40 кПа гели . Золото стрелка указывает значение τ / μ для г = 0 случае, в котором шарики на поверхности геля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

115px; "> 4122,5 1px; "> 500
Е (кПа) 40% акриламида (мкл) БИС (концентрация) 2% BIS (мкл) 100 мМ HEPES (мкл) 0.1 625 0,00009 22.5 4225
0.25 625 0.0001 25 4222,5
0.5 625 0,00011 27.5 4220
0,75 > 625 0.0002 50 4197,5
1 625 0.0003 75 4172,5
1.5 625 0,0004 100 4147,5
2 625 0.0005 125
2.5 625 0.0006 150 4097,5
3 625 0.0008 200 4047,5
3.5 625 0.0009 225 4022,5
4 0.001 250 3997,5
4.5 625 0.0012 300 3947,5
5 625 0.0014 350 3897,5
5.5 625 0,0016 400
6 625 0,0018 450 3797,5
6.5 625 0.002 500 3747,5
7 625 0,0022 550 3697,5
7.5 < / TD> 625 0,0024 600 3647,5
8 1000 0.001 250 3622,5
10 1000 0.0013 325 3547,5
15 1000 0.002 3372,5
20 1000 0,0027 675 3197,5
30 1000 0,0037 925 2947,5
40 1000 0,0048 1200 2672,5

Таблица1. PA Гелевые Химические Концентрации, основанные на модуля Юнга. Для лучшего PA гель упругости, перечисленные концентрации акриламида, бисакриламида и HEPES буфера должна быть дополнена 5 мкл акриловой кислоты, 25 мкл 10% персульфат аммония (APS), и 2,5 мкл TEMED.

7pt "ширина =" 62 "> 5
г (мкм) у х ((τ / μ) мкм)
0 0,750
0.394
1 0,237
1.5 0,164
2 0,124
2.5 0.100
3 0.083
3.5 0.071
4 0,062
4.5 0.056
0.050

Таблица 2 Смещения в зависимости от τ / μ, соответствующей глубине, г, шариков с поверхности геля на основе теории Буссинеска.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

При использовании этого метода, важно, чтобы раствор шарик образом разводили и гранулы выбраны на основании желаемого диаметра, Пенсильвания гелевой основе жесткость, а размер шкалы явлений, которые исследовали в нужном эксперимента.

Внимание должно быть принято при разбавлении борта решение до функционализации топ скользит стеклянной крышкой. Расстояние между шариков на поверхности гель может быть изменено путем изменения коэффициента разбавления из коллоидного раствора. Разбавления раствора слишком много будет уменьшить количество шариков, которые соединяют с покровным стеклом и в конечном итоге уменьшить количество шариков в геле. Разбавления раствора слишком мало может дать слишком высокую плотность шариков в геле таким образом, что они находятся в контакте и не может быть отличаются друг от друга. В то время как это часто невозможно полностью избежать присутствия агрегации наночастиц, применение ультразвуковых волн в разбавленном растворе эффективно минимизирует нанoparticle агрегации. Мы обнаружили, что 10 000-кратное разведение из коллоидного раствора, используемого в этом протоколе дает концентрацию валик 3,64 х 10 8 бисер / мл, и дает желаемый плотность частиц 0,05 мкм бисер / 2 для шариков диаметром 0,1 мкм. 1: 20 000 разбавления (1,82 х 10 8 бисер / мл) дает в среднем 52 мкм 2 на частицу Рисунок 2 показывает изображения поверхности гелей с различными разведениями.. Следует отметить, что существует различия в количестве шариков, которые передают в гель. Это связано с изменчивостью, связанной с извлечением шарик раствора из покровным стеклом с сжатого воздуха во функционализации. В общем, мы нашли, что увеличение коэффициента разбавления, по меньшей мере, в два раза последовательно приводит к по крайней мере, двукратное увеличение площади на гранулу.

Это также важно выбрать размер гранул (диаметр), что приведет к полной погружения тон шарик внутри геля при полимеризации ПА. Гель жесткость влияет на положение шариков, как показано на фиг.5А. Для бисера диаметром 0,1 мкм, глубина шарик увеличивается с уменьшением жесткости. Это может быть результатом обратной зависимости между размером пор и гель жесткости ПА 13. Для всех трех испытанных жесткости гели, шарики последовательно локализованы внутри геля, и в пределах 1 мкм от поверхности геля, как показано на фиг.8А. Среднее положение 1 мкм шариков в геле, также зависит от жесткости. Они встроены глубже (примерно 1,25 мкм) в 1 кПа гелей. Для 10 и 40 кПа гелей, расположение в верхней части шариков диаметром 1 мкм в диапазоне от приблизительно 0,5 мкм выше 0,5 мкм ниже геле (фиг.5) поверхности, что означает, что шарики от времени проходить сквозь верхнюю геля (рисунок 8B). Это вредно, потому что это вводит topograPHY для клеток, и топография, как известно, влияет на клетки и субстратом 14. Таким образом, необходимо помнить о выборе бусы для этой техники при подготовке гели конкретного жесткости. Из двух бортовых размеров используемых для характеристики этого метода, диаметр 0,1 мкм, оказывается оптимальный размер. Другие размеры шарика могут быть использованы в этой технике, но должны быть откалиброваны с помощью конфокальной микроскопии, как мы описываем здесь, чтобы понять точную глубину, на которой гранулы локализованный в процессе полимеризации геля.

Эта техника улучшает пространственную разрешающую способность шариков в Па геля, увеличивая количество различимых частиц в поле зрения. Локализация шарики в слое вблизи верхней части геля не оказывает существенного влияния на композитную жесткость геля. Isostress композитный теория используется для вычисления Модуль упругости композиции, E с, только в 1 мкм-толстым слоем геля, содержащего BEADS как

Уравнение 1

где Е F модуль упругости из полистирольных шариков (3 ГПа), Е м является модуль упругости гелевой матрицы (10 кПа), и V F и V являются м объемные доли гранул и гель-матрицы, соответственно. Поскольку гранулы содержат только 0,03% от объема, Е с = 10,0025 кПа существенно не отличается, чем модуль упругости изотропного геля жесткости 10 кПа. Создан способ изготовления PA гели сокращает время полимеризации до 30 сек, что сводит к минимуму влияние гравитации на распределение шариков во время полимеризации 15. Наша методика основана на более длительный (~ 30 мин) в течение времени полимеризации гранулы для полимеризации в гельтаковы, что они не выступают на поверхность геля. Потому локализации бусы в одном слое существенно не влияет на жесткость композиционного геля, и более длительный период времени пособия полимеризации в передаче бисера в гелевой матрице, мы не включить любую меру для сокращения времени полимеризации в нашей технике.

Наша методика показывает, как локализовать шарики с известной глубине внутри PA геля, что улучшает измерение деформации подложки, и, следовательно, вычисление клеток тяговых усилий. Теоретический подход к количественной клеточные тяговые силы уже сообщалось ранее 16,17. Этот подход рассматривает гель подложки в качестве полубесконечный твердого тела в упругом полупространстве. Решение Буссинеска используется для решения обратной задачи расчета силы тяги от поля смещений. Мы используем упрощенную версию интеграл Буссинеска для количественной оценки ошибку в измерения смещений за счет бисером дистальных от геля сПоверхность 18. Уравнение для перемещения в заданном направлении на основе прикладного напряжения сдвига, τ, в течение заданного радиуса, R, дается

Уравнение 2

где и х является смещение в направлении х, μ является модуль сдвига, г является глубина бусы из поверхности геля. Для различных местах шариков по всей глубине геля, соответствующие смещения приведены в таблице 2.

В случае, показанном здесь, радиус оценивается в среднем размер фокусного адгезия 1 мкм. Если шарики считаются одной плоскости с клетками (Z = 0), то смещение задается 0,75 τ / μ. Если шарики только 1 мкм ниже поверхности геля, смещение задается 0,24 τ / μ. Этопредставляет больше, чем трехкратное сокращение смещения от борта в одной плоскости с поверхностью в месте, 1 мкм ниже. Это вносит ошибку в расчете поверхностных тяговых сил на основе движения встроенных бисера, чьи точные места в пределах геля неизвестны. Изменение тяги определяется τ / μ, в зависимости от глубины бисера в геле для обоих предложенных и традиционных методов изготовления является значительным. Рисунок 9 показывает распределение сил (определяется отношением τ / μ) на основе на теории Буссинеска, что результатом вычисления с использованием распределение глубин борта, Z, в пределах оптического глубины резкости, когда шарики равномерно распределены в геле и локализованы вблизи поверхности. Наиболее точное измерение клеток силу приведет, если шарики были на той же плоскости, что и клетки, где г = 0 и τ / μ = 0,0133. По сравнению с этом случае τ / μ увеличивается на 118%, 80% и 50% в течение 1 кПа, 10 кПа и 40 кПа гелей, соответственно, когда шарики локализованы вблизи поверхности с использованием метода мы предлагаем. Когда шарики равномерно распределены по всей глубине гель, τ / μ увеличивает дополнительный 60%, 80% и 150% за увеличение индуцированного локализации шарики вблизи поверхности, в течение 1 кПа, 10 кПа и 40 кПа гелей, соответственно. Это представляет собой в общей сложности почти 200% ошибки в тяговых расчетов, когда шарики распределены по всей глубине гель. Таким образом, локализации бусы с известным глубине внутри геля улучшает точность измерений смещения и клеток тяговых сил.

Техника, описанная здесь представляет новый способ подготовить гелевые подложки PA для тяги силовой микроскопии приложений таких, что шарики локализованы вблизи поверхности геля. Ограничивая бусинки с известным глубине в пределах ООПТ геля дает новую информацию о фактическом перемещения шариков по заявлению клеток силы, создавая утраРуды точную картину того, как клетки деформируя их нижележащей подложки.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.

Acknowledgments

Авторы хотели бы отметить инициативы программы Междисциплинарный Инновации, Университет штата Иллинойс, грант 12035. SK финансировалась на UIUC от Национального научного фонда (NSF) Грант 0965918 IGERT: подготовки следующего поколения исследователей в клеточной и молекулярной механики и Бионанотехнология.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagents
97% 3-Aminopropyl-trimethoxysliane (APTES) Sigma-Aldrich 281778
70% Glutaraldehyde Polysciences, Inc. 111-30-8
1 M HEPES buffer solution Sigma-Aldrich 83264
40% Acrylamide Sigma-Aldrich A4058
2% Bisacrylamide Sigma-Aldrich M1533
0.1 µm Fluorescent microspheres (mCherry) Invitrogen F8801
Fibronectin, Human, 1 mg BD Biosciences 354008
Ammonium persulfate Bio-RAD 161-0700
Tetramethylethylenediamine (TEMED) Bio-RAD 161-0801
Poly-D-lysine Millipore A-003-E
1-Ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl]carbodiimide hydrochloride (EDC)  Thermo Scientific 22980
N-hydroxysulfosuccinimide (NHS) Thermo Scientific 24500
0.05% Trypsin-EDTA (1X) Life Technologies 25300-054
NaCl Sigma-Aldrich S9888
Acrylic acid  Sigma-Aldrich 147230
Glycerol Sigma-Aldrich G7757
2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) Sigma-Aldrich M3671
Materials
35 mm Glass bottom dish with 14 mm micro-well #1 cover glass In Vitro Scientific D35-14-1-N
Glass cover slips, 12 mm diam. Ted Pella, Inc. 26023

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pelham, R. J., Wang, Y. L. Cell locomotion and focal adhesions are regulated by substrate flexibility. PNAS. 94, (25), 13661-13665 (1997).
  2. Dembo, M., Wang, Y. L. Stresses at the cell-to-substrate interface during locomotion of fibroblasts. Biophys. J. 76, (4), 2307-2316 (1999).
  3. Lo, C. M., Wang, H. B., Dembo, M., Wang, Y. L. Cell movement is guided by the rigidity of the substrate. Biophys. J. 79, (1), 144-152 (2000).
  4. Aratyn-Schaus, Y., Oakes, P. W., Stricker, J., Winter, S. P., Gardel, M. L. Preparation of Complaint Matrices for Quantifying Cellular Contraction. JoVE. http://www.jove.com/index/Details.stp?ID=2173 (2010).
  5. Kandow, C. E., Georges, P. C., Janmey, P. A., Beningo, K. A. Polyacrylamide Hydrogels for Cell Mechanics: Steps Toward Optimization and Alternative Uses. Methods in Cell Biol. 83, 29-46 (2007).
  6. Marinkovic, A., Mih, J. D., Park, J. -A., Liu, F., Tschumperlin, D. J. Improved throughput traction microscopy reveals pivotal role for matrix stiffness in fibroblast contractility and TGF-β responsiveness. Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 303, (3), 169-180 (2012).
  7. Buxboim, A., Rajagopal, K., Brown, A. E. X., Discher, D. E. How deeply cells feel: methods for thin gels. J. Phys.: Condens. Matter. 22, (2010), 194116-194126 (2010).
  8. Polio, S. R., Rothenberg, K. E., Stamenovic,, Smith, M. L. A micropatterning and image processing approach to simplify measurement of cellular traction forces. Acta Biomaterialia. 8, 82-88 (2012).
  9. Wang, Y. L., Pelham, R. J. Preparation of a flexible, porous polyacrylamide substrate for mechanical studies of cultured cells. Methods in Enzymol. 298, 489-496 (1998).
  10. Tse, J. R., Engler, A. J. Preparation of Hydrogel Substrates with Tunable Mechanical Properties. Current Protocols in Cell Biol. Chapter 10, Unit 1 16 (2010).
  11. Poellmann, M. J., Wagoner Johnson, A. J. Characterizing and Patterning Polyacrylamide Substrates Functionalized with N-Hydroxysuccinimide. Cell and Mol. Bioengineering. 6, (3), 299-309 (2013).
  12. Tseng, Q., Duchemin-Pelletier, E., Deshiere, A., Balland, M., Guillou, H., Filhol, O., Théry, M. Spatial organization of the extracellular matrix regulates cell–cell junction positioning. PNAS. 109, (5), 1506-1511 (2012).
  13. Trappmann, B., Gautrot, J. E., Connelly, J. T., Strange, D. G. T., Li, Y., Oyen, M. L., Cohen Stuart, M. A., Boehm, H., Li, B., Vogel, V., Spatz, J. P., Watt, F. M., Huck, W. T. S. Extracellular-matrix tethering regulates stem-cell fate. Nature Materials. 11, 642-649 (2012).
  14. Wong, J. Y., Leach, J. B., Brown, X. Q. Balance of chemistry, topography, and mechanics at the cell-biomaterial interface: Issues and challenges for assessing the role of substrate mechanics on cell response. Surface Science. 570, (1-2), 119-133 (2004).
  15. Mih, J. D., Sharif, A. S., Marinković, A., Symer, M. M., Tschumperlin, D. J. A Multiwell Platform for Studying Stiffness-Dependent Cell Biology. PLoS ONE. 6, (5), e19929 (2011).
  16. Butler, J. P., Tolić-Nørrelykke, I. M., Fabry, B., Fredberg, J. J. Traction fields, moments, and strain energy that cells exert on their surroundings. Am J Physiol Cell Physiol. 282, 595-605 (2001).
  17. Tolić-Nørrelykke, I. M., Butler, J. P., Chen, J., Wang, N. Spatial and temporal traction response in human airway smooth muscle cells. Am J Physiol Cell Physiol. 283, 1254-1266 (2002).
  18. Atanackovic, T., Guran, A. Theory of Elasticity for Scientists and Engineers. Maple-Vail Book Manufacturing Group. York, PA. (2000).
Новый метод для локализации Reporter флуоресцентные шарики Ближних культуре клеток для увеличения силы сцепления силовой микроскопии
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Knoll, S. G., Ali, M. Y., Saif, M. T. A. A Novel Method for Localizing Reporter Fluorescent Beads Near the Cell Culture Surface for Traction Force Microscopy. J. Vis. Exp. (91), e51873, doi:10.3791/51873 (2014).More

Knoll, S. G., Ali, M. Y., Saif, M. T. A. A Novel Method for Localizing Reporter Fluorescent Beads Near the Cell Culture Surface for Traction Force Microscopy. J. Vis. Exp. (91), e51873, doi:10.3791/51873 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter