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Bioengineering

用 Widefield 荧光显微镜研究软硅基美国匹茨堡的刚度测量

Published: July 3, 2018 doi: 10.3791/57797
* These authors contributed equally

Summary

kilopascal 范围内的刚性基底对于研究细胞对生理相关的微环境刚度的反应是有益的。使用一个 widefield 荧光显微镜, 年轻的软硅胶凝胶的弹性模量可以确定使用一个合适的球压痕。

Abstract

人体软组织通常在 kilopascal (kPa) 范围内有刚度。因此, 硅胶和水凝胶柔性基质已被证明是有益的基质, 培养细胞在物理微环境中, 部分模拟体内条件。在这里, 我们提出了一个简单的协议, 以表征杨氏模量的各向同性线性弹性基板通常用于美国匹茨堡研究。该协议包括在培养皿或硬硅树脂上制备软硅基板, 用荧光珠涂覆硅基板的顶面, 使用毫米级球体缩进顶面 (按重力), 成像荧光用荧光显微镜对缩进硅胶表面上的珠子进行分析, 并对所合成的图像进行解析, 计算出硅基板的杨氏模量。将基体的顶面与模数胞外基质蛋白耦合 (除了荧光珠), 使硅基板易于用于细胞电镀和随后的研究使用牵引力显微镜实验。使用硬质硅胶, 而不是培养皿, 作为软硅胶的基础, 使使用美国匹茨堡研究涉及外部拉伸。该协议的一个具体优点是, widefield 荧光显微镜在许多实验室中是常见的, 是本程序所需的主要设备。我们通过测量不同弹性模量的软硅基板的杨氏模量来证明该协议。

Introduction

软组织细胞位于微环境中, 其刚度在 kilopascal 范围为1, 与组织培养皿的硬度为几级以上。早期的细胞外基质蛋白涂层软基板的实验表明, 基底刚度影响细胞的移动以及坚持在2,3下的细胞外基质。事实上, 基底刚度从根本上影响细胞功能4 , 其方式类似于弥漫的生化信号。聚丙烯酰胺凝胶 (涂有细胞外基质蛋白) 是 (水渗透) 凝胶, 已广泛用作细胞培养基质的美国匹茨堡研究5。烷是最常见的有机硅 (聚硅氧烷), 广泛应用于兆帕斯卡硬度为微米级制造6的硬硅树脂。最近, 在生理上相关的 kilopascal 范围内有刚性的软硅基板被使用作为细胞培养基质为美国匹茨堡研究7,8

采用了几种方法测量柔性基板的刚度, 包括原子力显微镜、拉伸、流变和压痕时全试样的宏观变形, 球面和球尖 microindentors 9..虽然每种技术都有自己的优缺点, 但用球体压痕是一种特别简单而又相当精确的方法, 只需要进入 widefield 荧光显微镜。在前工作3910中, 用金属球体压痕测量水凝胶的刚度。早期的工作表明基底刚度对细胞运动的重要性, 利用这种方法来确定水凝胶基板刚度3。最近, 共焦显微术也被用于一个优雅的特征10

在这里, 我们提出了一个逐步的协议, 以准备一个软的硅基板, 耦合荧光珠 (和细胞外基质蛋白, 如胶原 i) 只是到顶端表面, 成像一个缩进球和顶面使用阶段和荧光成像, 分别对图像进行分析, 计算出硅基板杨氏模量。这种方式制备的软硅基板可以方便地用于牵引力显微实验。使用硬硅树脂 (而不是培养皿) 作为软硅胶的基础也使美国匹茨堡研究使用外部拉伸。如有必要, 还指出了避免可能出现的并发症所需的实际考虑。

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Protocol

1. 软硅基板的制备

  1. 使用 (聚苯乙烯) 称重托盘, 从软硅胶弹性体套件中称量1.75 克的 a 组分和1.75 克 (a: b = 1:1)。
  2. 将一个组件添加到称量托盘中的 B 组件中, 并用适当的涂抹棒将其混合在一起5分钟。
  3. 将上述混合物添加到35毫米培养皿中。允许混合物均匀地分布在培养皿上几分钟。
    注: 培养皿直径的选择和软硅胶的用量将决定软硅的厚度。在这里, 厚度将在3.5 毫米左右;有关在讨论部分中选择弹性体厚度的更多信息。
  4. 将培养皿与硅胶混合物, 用盖子关闭, 在真空室中15分钟, 以消除任何气泡。在这段时间内, 预热热板到70摄氏度。
  5. 一旦热板达到70摄氏度, 放置一个玻璃幻灯片, 然后将培养皿与硅胶混合物在玻璃滑梯上。让硅胶在70摄氏度治疗30分钟。不要将聚苯乙烯盘子直接放在热板上, 因为培养皿可能会融化。

2. 荧光微珠与软硅胶的耦合

  1. 将固化的软硅胶 (在未发现的培养皿中) 放在深紫外腔内 (带有深紫外灯波长为185和 254 nm 的外壳)。将软硅胶样品 (离紫外线灯约 5-10 厘米) 暴露到深紫外光中5分钟。
    1. 当硅胶接触到深紫外光时, 请继续下面的步骤 2.2-2.6。深紫外照射后, 在检索样品前加加深紫外线室至少5分钟。
  2. 同时, 在1.5 毫升离心管中称量出19毫克 1-乙基-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC), 并向其添加 500 ul 的去离子水 (DI) 水。轻轻摇动管子即可溶解。
  3. 在一个单独的1.5 毫升离心管, 体重11毫克的n-hydroxysulfosuccinimide (磺 NHS), 增加 500 ul 的 DI 水, 并通过轻轻摇动管溶解磺 NHS。然后, 将磺和 NHS 的解决方案结合在一个离心管中。
  4. 对于此磺-NHS 解决方案, 添加 30 ul 0.44 微米直径红色 (或任何其他荧光颜色基于过滤器立方体可用的荧光显微镜) 羧酸改性荧光微珠 (1% 瓦特/v 库存浓度)。
  5. 对磺-NHS/珠混合, 添加0.02 毫克的胶原蛋白 I (从鼠尾, 库存浓度4毫克/毫升在0.02 米乙酸), 以获得约0.02 毫克/毫升浓度。
  6. 漩涡的 EDC/NHS/珠/胶原蛋白 I 混合物简要地确保珠均匀分散在整个, 前联轴器。
  7. 吸管1毫升的 EDC/NHS/珠/胶原蛋白 I 混合在一块 parafilm 放在另一个浅, 扁平盖 (直径较小) 上。在这种混合物上反转培养皿与软硅胶, 使软硅表面接触的混合物, 但不直接触及较小的培养皿盖子表面下面。要提高倒置培养皿, 使用一个或两个玻璃幻灯片在任何一侧的倒置培养皿间隔。
    注: 请参阅图 1以了解如何执行步骤2.7。
  8. 用铝箔盖住样品, 室温下孵化30分钟。
  9. 用软硅胶去除培养皿, 并将其直立 (硅胶侧向上)。
  10. 用磷酸盐缓冲盐水 (pbs) 将2毫升的 PBS (7.4) 加入到盘子中, 以此来洗涤柔软的硅胶表面。让它坐几分钟。用2毫升的 pbs 将 pbs 吸掉, 再用硅胶清洗。让硅胶治疗大约一天。因此, 将软硅胶样品放在 PBS 中过夜37摄氏度。

3. 用 Widefield 荧光显微镜测量球形压痕的硅硬度

  1. 使用软硅胶检索培养皿, 并确保它包含至少1毫升的 PBS, 使硅表面在液体表面以下几毫米。
  2. 使用尖镊子, 在软硅胶上滴下五1毫米锆球形购买。将球体浸入液体介质中, 除去它们, 远离硅胶层的边缘, 至少 5 indentor 直径远离其他购买的位置。
    注: 在液体表面上跌落时, 由于液体介质的表面张力, 球体可能无法进入液体介质 (浮子)。
  3. 将培养皿与软硅胶放在显微镜台上, 使其能够通过培养皿的底座进行成像。
  4. 使用10X 目标的相位成像 (如0.30 的干10X 目标), 定位并将球体 indentor 为焦点。
  5. 采取一个部分或整个 indentor 的相位图像, 并保存该图像。如果可用, 请使用平铺扫描。如果 indentor 有任何可见的缺陷, 则丢弃并将其替换为另一个 indentor。
  6. 在实时相位成像下, 平移到 indentor 边缘的左侧, 使框架的左边缘至少距 indentor 中心 1.5 R 的距离。确保 indentor 的中心在右侧保持可见, 靠近图像框架的右边缘。采取相图并保存它。
  7. 将显微镜光源切换为红色荧光通道的光照。与xy坐标不变 (indentor 中心的xy位置在框架的右边缘附近), 焦点向下 (减少 Z) 直到红色荧光微珠在球形 indentor 的中心之下别再专注了
  8. 对于每 z 增量为0.5 µm 的 z 堆栈, 取一个 z-栈, 直到硅树脂顶层的微珠从 indentor (靠近成像框架的左边缘) 离开焦点。
  9. 对示例中的其他购买重复步骤 3.4-3.8。

4. 计算硅胶的刚度 (杨氏模量)

  1. 使用 ImageJ 打开 indentor 的相位图像, 单击直线工具, 并测量 indentor 的直径 (以像素为单位)。单击并按住 indentor 边缘上的某个点, 将光标移动到边缘上的截然相反的点上, 并记下在释放游标之前在 ImageJ 主窗口的状态栏上显示的像素长度。
    1. 通过单击 "分析", 确保长度单位设置为像素: 设置刻度并检查长度单位
    2. 考虑到目标放大倍数和 ccd 相机像素尺寸 (r 在微米 = r 像素 x, ccd 相机像素大小为微米/目标放大倍数), 将 indentor 的半径以像素转换为微米。
  2. 打开红色通道 z 栈的 microbead 图像 (如果微珠是红色荧光) 在 ImageJ 通过点击文件 |进口 |图像序列并选择堆栈中的任何图像, 然后单击"确定" 打开堆栈。
    注: F1 是 indentor 中心下的微珠最可能聚焦的帧数, 而 F2 是在框架的左边缘附近的微珠 (位于离珠中心 1.5 R 的区域) 的帧数, 在最可能的焦点。两帧之间的z差是压痕深度δ。
    1. 使用 ImageJ 中的 "线条" 工具, 在图像中的定义良好的 microbead 之间绘制一条线。点击分析 |绘制剖面图并单击 "实时" 按钮, 在选择不同的帧时, 通过珠子获得更新的线扫描强度。提供最大强度值的帧可以选择为焦点的帧。
    2. 由于 z 堆栈中的帧之间的 z 增量为0.5 微米, 因此计算在微米中的缩进深度为δ = (F2-F1) x 0.5。
  3. 计算在凝胶上施加的力由 indentor 由于它的重量 (减去反对的浮力), 即压痕力 F, 作为 indentor x 的容量 (indentor 的密度-液体媒介的密度) x 加速度由于重力。 使用等式F = (4/3) x 3.142 x (R3) x (ρindentor媒介) x g那里R是 indentor 的半径, ρindentor是密度 indentor, ρ媒介是液体介质和g的密度是由于重力引起的加速度 (9.81 米/秒2)。用 SI 单位的右手边表示所有数量, 以获得F (N)。
  4. 使用修改后的11赫兹模型12方程计算硅树脂的杨氏模量 (E):
    Equation 1
    地方
    c = 修改其后面的赫兹模型表达式的修正因子;
    v = 泊松比的硅胶凝胶 (采取0.5 作为不可压缩材料7);
    F = 压痕力;
    R = indentor 半径;和
    δ = 压痕深度。
    在宾夕法尼亚州的右侧用 SI 单位表示所有数量以获得E
    1. 计算校正因子c如下3:
      Equation 2
      地方
      Equation 3
      Equation 4;和
      Equation 5.
      应该注意的是, 这个校正因子是专门用于只有当软硅胶坚持良好的培养皿 (或硬硅树脂) 下 (这是这里的情况)。
    2. 根据加硅量和培养皿直径计算软硅层的高度 h。或者, 直接获得 h 通过确定硅层的顶部和底部表面的 z 坐标由相位成像 (次要杂质进入焦点在任一表面)。注意, 对于大 h (h2 > Rδ), 修正因子c接近1。
  5. 对每个 indentor 重复步骤 4.1-4.4。平均从每个 indentor 获得的杨氏模量, 以获得有机硅样品的平均杨氏模量。

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Representative Results

使用上面详细的协议, 我们准备了软硅胶在一个35毫米培养皿, 治愈它在70°c 30 分钟和耦合的荧光微球 (和胶原 i) 到顶端表面, 如 1所示。深紫外线已用于最终的蛋白质耦合到基板13。请注意, (I) 这里使用的固化条件是特定于这种软硅胶和 (II) 压痕测量是在第二天进行, 因为软硅胶有望在一天的过程中进一步治疗。

2A显示了硅酮表面球形压痕的各种参数。相位成像用于捕获 indentor 的整个图像 (I), 如 2B所示 (如果需要, 使用图像拼接) 或 (II) 球体图像的一部分。从 indentor 的图像中提取的唯一参数是其直径。例如, 对于在本协议中使用1:1 软硅胶的 indentor, 来自同一批次的不同个体购买的直径从950µm 到1200µm, 平均值为1037µm, 标准偏差为47µm (8 购买)。请注意, 为特定的 indentor (而不是平均直径为许多购买) 测量的直径应用于压痕的刚度计算-由该特定的 indentor 引起。

硅胶顶面上的微珠的荧光图像是在xy框架位置拍摄的, 因此 indentor 下的区域位于框架的最右侧部分。框架左上部分的区域被选择为远离 indentor 的区域, 如 3所示。 3也显示了 indentor 下的区域和远离 indentor 的 Z 堆栈图像。对于使用1:1 软硅胶的1毫米直径锆 indentor, 2 个区域聚焦的 z 值与大约20µm (δ) 不同。这比软硅胶的厚度小得多, 大约有3500µm. 使用 indentor 锆 (实际上是由二氧化锆和二氧化硅混合物制成) 的密度 (4.66 克/厘米3) 和液体的密度中等 (为 PBS: 1.01 克/cm3), 在硅树脂施加的净力量可以被计算。在考虑的情况下, 它是在 20-25 µN 范围内。我们为1:1 软硅胶计算的杨氏模量是 7.2 2.4 帕 (从28个位置汇集从6独立样品)。代表的结果为其他 A: B 比率为同样软的硅胶 (在伴生的具体试剂表中指定) 在 1中给出。最后, 为了验证使用 widefield 显微镜的球形压痕方法, 我们在本协议中所描述的, 我们还测量了一个聚丙烯酰胺凝胶的杨氏模量, 我们的特点是流变仪有一个年轻的模数为 21 3 帕。利用本协议的球形压痕方法, 使用 widefield 显微镜, 发现同一成分的聚丙烯酰胺凝胶具有 22.1 4.2 帕的杨氏模量, 表明了良好的协议10。在讨论部分中讨论了在执行这些测量时应注意的问题。

Figure 1
图 1: 将荧光微珠与软硅胶顶面耦合的过程示意图.(A) 已固化的软硅胶暴露在深紫外光下5分钟. (B) 在水中, 磺、pipetted、珠子和胶原蛋白的混合物, 被放在一个直径较小的盖子上的 parafilm 上。(C) 软硅胶样品倒置在这种混合物, 使它是与液体接触, 但不与顶部表面的较小盖子下方。两个玻璃幻灯片两侧, 培养皿下, 作为间隔。(D) 用 PBS 清洗样品后, 用荧光微珠涂覆的软硅表面可以进行刚度测量。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 软硅胶表面球形压痕的示意图.(A) 这种示意图描述显示了一个软硅胶样品表面的球形 indentor。指出了各种感兴趣的参数。(B) 这个小组显示了一个图像, 1 毫米 indentor (在软硅胶样品) 获得了通过相位成像。刻度条指示250µm.请点击这里查看这个数字的大版本

Figure 3
图 3: 珠形图像的采集和聚焦图像的确定.(A) 此荧光图像显示了软硅胶样品的顶面上的微球, 以及相对于 indentor (虚线) 所需的框架的xy位置。刻度条指示150µm. 面板BC显示了软硅胶表面 (B) 下 indentor 和 (C) 以外区域的 z 堆栈荧光图像 (顶部图像中的盒装区域)。z1 和 z2 的指标分别对应于 indentor 和该区域远离 indentor 的区域的 z 值。刻度条指示20µm。单色图像显示的是那些在红色通道, 因为名义上的粉红色微珠是使用的激发和发射剖面适合红色通道。(D) 这个面板显示了一个微珠的强度线扫描 (显示在嵌入图像中的黄色线横跨), 因为焦点是不同的 z 增量0.5 µm。与聚焦图像对应的焦点 (z 值) 可以根据与最大强度的线扫描对应的 z 值进行客观选择。插入图中的刻度条表示20µm.请点击这里查看这个数字的大版本

硅胶弹性体 * A: B 杨氏模量 ** (帕)
1:1 7.2±2。4
4:7 37.6±3。9
1:2 64.1±6。9
* 在附表中指明的特定试剂/设备
** 用球面压痕法测量, 使用 widefield 显微镜作为本协议的详细说明

表1。杨氏模量的软硅胶 (针对特定的硅胶表中指定的具体试剂/设备) 的不同成分的测量使用此处详述的协议.两个混合组件的比率值 A: B (和相应的测量数量) 为 1:1 (28)、4:7 (13) 和 1:2 (8)。

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Discussion

球形压痕法易于实现, 但要注意 indentor 的选择和软硅试样的厚度。用于计算杨氏模量的方程式在一组条件下有效11, 当硅胶样品的厚度 > 10% 的 indentor 半径和 < ~ 13 x indentor 半径时, 通常会满足这些要求。我们发现, 硅树脂厚度为 5-10x 的 indentor 半径是一个很好的选择, 其中试样厚度不太高 (目标工作距离不成为限制), 计算刚度也不太敏感的硅胶厚度的精确值。球形 indentor 的选择也应该是这样, 压痕深度δ是 < 10% 的硅胶厚度以及 < 10% 的 indentor 半径。考虑到这些因素, 不同材质和直径的购买可以用来测量柔软和坚硬的有机硅的刚度。压痕深度的确定是该协议最关键的步骤。本协议中提出的识别聚焦图像的方法应有助于可靠地确定压痕深度。还应注意的是, 球面压痕法的刚度计算采用赫兹理论, 假定无摩擦接触。在这里, 这是一个很好的假设购买低粗糙度。虽然我们使用了特定的软硅弹性体 (列出在附表中的特定试剂), 其他商用硅胶弹性体套件可以使用。请注意, 广泛用于微细加工的硬硅树脂不是在人民军范围内制造刚性基底的好选择。然而, 柔软的有机硅 (在人民军射程的下端有刚度) 可以与少量的硬硅树脂混合, 使基板在人民军射程的更高端有刚度。根据弹性体, 可以选择不同大小或密度的 indentor, 只要前面提到的条件满足。

荧光微珠与软硅树脂的顶面耦合的几个关键因素是很重要的。首先, 我们选择了0.44 µm 羧酸珠, 因为它们的荧光含量, 因此亮度比较小的类似珠。如果珠子含有较亮的显影, 则可以使用较小的珠子尺寸, 但我们建议使用亚微米羧酸珠, 以免对该方法的分辨率产生不利影响。硅胶表面与 EDC/sulfo-NHS/bead/col1 混合物的孵化是在一个倒置的配置中与硅胶表面进行的。其原因是, 当与珠子的混合物放在硅表面的顶端, 珠块沉淀到硅胶表面, 导致一个糟糕的空间分辨率, 而荧光微珠正在拍摄。即使有了这个协议, 偶尔也会观察到珠子团簇 (图 3中顶部图像中的明亮区域)。但是, 它们不够广泛, 无法影响方法的分辨率。也可以使用图 1C中任何一个培养皿的边缘下的间隔, 使硅酮表面接触液体, 而不是它下面的固体表面。如果选择了含疏水性涂层的微球, 即使没有深紫外光步, 微珠与软硅胶顶面的耦合也可以进行。刚度测量是在最终基板 (UV 处理后, 珠耦合, ECM 耦合) 上进行的, 在哪些单元可以被镀。应牢记, 在采取步骤 (如 UV 处理) 后, 应执行刚度特性, 从而可能改变基板刚度, 从而使测量的刚度成为单元格所能接触到的刚性。

而不是培养皿, 一板硬的可用作软硅胶14的基础。这种配置可用于将外部拉伸应用到细胞中, 其中刚性硅胶提供了可以拉伸的框架, 而软硅胶提供了一种更具生理性的细胞微环境。牵引力显微镜15,16也可以执行与镀在这些软硅胶凝胶7,8, 和荧光微珠的存在, 只有在顶层, 使良好的分辨率与只是一个 widefield 荧光显微镜。胶原蛋白 i 在这个协议可以被替换与其他细胞外基质蛋白。与原子力显微镜类似的方法相比, 球面压痕法可以更容易地实现。使用球面压痕法获得的平均杨氏模量与使用流变仪确定的偏差通常 < 10%10。因此, 球形压痕法 (使用 widefield 荧光显微镜) 为美国匹茨堡中应用的软硅 (或水凝胶) 刚度的定量提供了一种可访问的方法。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

我们感谢玛格丽特卡洛斯·加德尔慷慨地允许使用流变仪。我们承认 NIH (1R15GM116082) 支持这项工作。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CY 52-276 A/B silicone elastomer kit  Dow Corning CY 52-276 Store at room temperature
Thermo Scientific Pierce EDC Fisher Scientific PI22980 Store at -20°C
Thermo Scientific Pierce Sulfo-NHS crosslinker Fisher Scientific PI-24510 Store at 4°C
Carboxyl fluorescent pink particles, 0.4-0.6 µm, 2 mL Spherotech, Inc. CFP-0558-2 Store at 4°C, do not freeze
1.0 mm Acid washed Zirconium beads OPS Diagnostics LLC BAWZ 1000-250-33
Deep UV chamber with ozone evacuator Novascan Technologies, Inc. PSD-UV4, OES-1000D
Wide field fluorescence microscope Leica Microsystems DMi8
Collagen I, from rat tail Corning 354236 Stock concentration = 4 mg/ml; store at 4°C
ImageJ-NIH N/A N/A public-domain software

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References

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Bashirzadeh, Y., Chatterji, S., Palmer, D., Dumbali, S., Qian, S., Maruthamuthu, V. Stiffness Measurement of Soft Silicone Substrates for Mechanobiology Studies Using a Widefield Fluorescence Microscope. J. Vis. Exp. (137), e57797, doi:10.3791/57797 (2018).

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