Summary

Perturbing אנדותל ביומכניקה דרך קונשין 43 מבנית שיבוש

Published: October 04, 2019
doi:

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול מבוסס מכניקה כדי לשבש את צומת הפער קונשין 43 ולמדוד את ההשפעה הבאה זה יש על ביומכניקה של אנדותל באמצעות התבוננות של מעקב ומדגיש התרבות.

Abstract

תאי האנדותל הוקמו כדי ליצור מתחים ומלחצים בין-סלולאריים, אך הצמתים הפערים בתפקיד משחקים במתח הבינתאי וביצירת המתיחה כרגע לא ידוע. לכן, אנו מציגים כאן פרוטוקול מבוסס מכניקה כדי לחקור את ההשפעה של הצומת הפער קונשין 43 (Cx43) יש על ביומכניקה אנדותל על ידי חשיפת confluent אנדותל מונולאיירס מCx43 הידוע 2, 5-דיהידרוטסטוסטרון (chalחרוט) ו מדידת ההשפעה המדכא הזה יש על מדידות ומדגיש התרבות. אנו מציגים תוצאות הנציג, אשר מראים ירידה הן מעקב ומדגיש בין התאים תחת מינון כלקון גבוה (2 μg/mL) בהשוואה לשליטה. פרוטוקול זה יכול להיות מיושם לא רק Cx43, אלא גם מצמתי פער אחרים, בהנחה שניתן להשתמש במדכא המתאים. אנו מאמינים שפרוטוקול זה יהיה שימושי בתחומים של מחקר כללי וכלי דם ומכניאוביולוגיה.

Introduction

השדה המתייחס לחקר ההשפעות של הכוחות הפיזיים והתכונות המכאניות של הפיזיולוגיה והפתולוגיה של רקמות הסלולר והרקמה מכונה בביולוגיה מכנית1. מספר טכניקות שימושיות שנוצלו באמצעות מכניאולוגיה הן מיקרוסקופ מתח מונאולייר ומיקרוסקופ כוח גרירה. מיקרוסקופ כוח גרירה מאפשר מיחשוב של מסקות שנוצרו בממשק התא-מצע, בעוד מיקרוסקופ הלחץ דופלקס מאפשר מיחשוב של מתחים בין תאיים שנוצר בין תאים סמוכים בתוך מונאולייר2 ,3,4,5,6 תוצאות הניבו מהשיטות הקודמות הציעו כי מדגיש מכני סלולרי לשחק תפקיד מכריע בקביעת גורלם של שורה של תהליכים סלולריים3,4,5. לדוגמה, בעת חשיפה לכוח מכני חיצוני, קבוצה של תאים העוברים כקולקטיב יכולה לשנות את המבנה שלהם ואת הצורה שלהם כדי ליישר ולהעביר לאורך כיוון הכוח המוחל על ידי, בין השאר, הפקת מעקב7, שמונה. Tractions מספקים מדד שניתן להשתמש בו להערכת כושר התאים ומחושבים באמצעות מיקרוסקופ כוח המתיחה (TFM). מיקרוסקופ כוח המתיחה (tfm) מתחיל עם הנחישות של המצע המושרה תאים דפורמציות ואחריו את החישוב של שדה המתיחה באמצעות מתמטית קפדנית, מכניקה מבוססי גישה חישובית. מאז היכולת לחשב תיחות כבר סביב די הרבה זמן, החוקרים משתמשים tfm לחשוף את תיחות ההשפעה יש על שורה של תהליכים, כולל סרטן9, פצע ריפוי10 והערכה של הלב מהונדסים . רקמה11

ניתן לחלק את יישום TFM ו-MSM ביחד לשלושה צעדים חיוניים שיש לבצע בסדר הבא: הראשון, הידרוג’ל דפורמציות המיוצרים על ידי התאים נקבעים; שנית, העקבות משוחזרים מתוך דפורמציות הידרוג’ל; ושלישית, גישה לאלמנט סופי משמשת לחישוב מתחים נורמליים ולהטיה בין-תאיים בתוך המונאולייר כולו. כדי לחשב את ג’ל displacements, תמונות הזריחה חרוז עם תאים הושוו עם תמונה חרוז התייחסות (ללא תאים) באמצעות מותאם אישית כתוב חלקיקים התמונה (PIV) השגרה. הקשר בין גודל חלון מתאם חפיפה עבור ניתוח PIV נבחרו להיות 32 x 32 פיקסלים ו 0.5, בהתאמה. בשלב זה, משמרות פיקסל הומרו מיקרון על ידי הכפלת עם מקדם פיקסל מיקרון המרה (עבור המיקרוסקופ שלנו, גורם ההמרה הזה הוא 0.65) כדי להשיג displacements המטוס. שגיאות המשויכות להתעלמות מdisplacements מחוץ למישור הן12,13. לאחר חישוב של ג’ל displacements, ישנם שני סוגים של מדידות המתיחה שיכול להיות מנוצל, הפרשות מוגבלו תיחות בלתימוגבל 8,14. תיחות לא מוגבל לספק את שדה המתיחה עבור השדה כולו של התצוגה (כולל אזורים עם וללא תאים), בעוד תיחות מוגבלת לספק את שדה המתיחה רק עבור אזורים הכוללים תאים14. לאחר מכן, הלחצים הבין-סלולאריים מחושבים באמצעות מיקרוסקופ לחץ מונאולייר (MSM), שהוא הרחבה של מיקרוסקופ כוח המתיחה. יישום ה-MSM מבוסס על ההנחה כי הפרשות המקומיות שהופעלו על ידי מונאולייר של תאים בממשק התא-מצע חייבים להיות מאוזנים על ידי כוחות מכניים ששודרו בין תאים בממשק תא התא כפי שדרש חוקי ניוטון7 ,12,13. ההנחה המפתח כאן היא כי המונרוייר התא יכול להיות מטופל כמו סדין אלסטי דק כי התפלגות המתיחה במונאולייר ידוע ומאזן הכוח אינו תלוי במאפייני חומר התא. ההנחה המפתח הנוסף היא כי כוחות המתיחה מאוזנים על ידי מדגיש בין הסלולר המקומי בתוך השדה האופטי של השקפה (בתוך המונאולייר) ואת ההשפעה של מאזן כוח זה הוא מינימלי באזור המרוחק (מחוץ המונאולייר)13. לכן, תנאי הגבול שהוגדרו על-ידי הלחצים הבינתאיים, הdisplacements, או שילוב של שניהם בגבול המונאולייר הינם חיוניים לביצוע MSM-13. בהתחשב במידע הנ ל, אנו משתמשים ב-MSM כדי לבצע ניתוח אלמנט סופי (פמ) כדי לשחזר את המתח העיקרי המקסימלי (σmax) והלחץ העיקרי מינימלי (σmin) על ידי סיבוב מטוס הלחץ בכל נקודה בתוך ה דופלקס. מדגיש אלה משמשים לאחר מכן כדי לחשב את ממוצע 2d המתח הבין-סלולארי נורמלי [(σmax + σmin)/2] ו-2d להטות מקסימום מתח התרבות [(σmaxmin)/2] בתוך כל המונאולייר כולו 12,13. הליך זה מתואר ביתר פירוט על-ידי tambe et al.12,13

מיקרוסקופ מונאולייר לחץ (MSM) מאפשר חישוב של מדגיש תאי תא בתא שנוצר בתוך מונאולייר6,7,8,12,13. אלה מדגיש התרבות הוצעו להיות חשובים לצמיחה רקמות ותיקון, הפצע ריפוי, סרטן גרורות12,15,16,17. בנוסף, הוצעו מתחים בין-סלולאריים להיות חשובים גם בהעברת תאים אנדותל ובפונקציית המכשול האנדותל17,18. בעוד שצמתים בתאי תא כגון צמתים הדוקים וצמתים מדומה, שניהם הוצעו לשחק תפקיד קריטי ביצירת מתח בין התאים הבינתאיים ושידור, התפקיד של צמתי הפער נשאר חמקמק. הפער בצמתים לחבר את התאים הסמוכים ולספק מסלול עבור זרם חשמלי ומולקולות (ב< 1 kda) לעבור בין תאים שכנים19,20,21. למרות התאים האנדותל אקספרס Cx37, Cx40, ו Cx43 הפער צמתים19,22, Cx43 הוא ללא ספק החשוב ביותר במונחים של התקדמות המחלה23. ראיות של חשיבות Cx43’s ניתן למצוא בעובדה כי מחיקה גנטית של Cx43 בעכברים תוצאות לחץ דם24 ויש לו השפעות שליליות על אנגיוגנזה25. בנוסף, Cx43 תועד להיות חשוב עבור הגירה תא והתפשטות ובהתקדמות של טרשת עורקים18,22,23,24,25 .

בפרוטוקול זה, השתמשנו ב-TFM ו-MSM כדי לחקור אם המתיחה ויצירת הלחץ הבין-תאי בתוך הקשר, היתה מושפעים מהפרעה לצומת הפער האנדותל Cx43. אנחנו שיבשו Cx43 עם 2, 5-דיהידרוטסטוסטרון (chalחרוט), מולקולה מתועדת לעכב Cx43 ביטוי26. Chalcone שימש לשבש Cx43 במקום siRNA כמו chalcone כבר דיווחו בעבר על ידי לי et al. כדי לשבש את ביטוי Cx4326. בנוסף, התעניינו במיוחד בהשפעת הצ על האנדותל כפי שהיא גם דווחה כתרכובת אנטי-דלקתית ואנטי-טסיות שעלולה לשמש למניעה וטיפול בכלי דם שונים פתווגיות26. טיפולים chalcone בוצעו כשעה לאחר הופעת הניסוי, החלב שטופלו monolayers היו תמונות עבור סך של שש שעות, עיבוד תמונה בוצעה עם קוד מותאם אישית כתוב MATLAB כדי לקבוע מעקב ולאחר מכן התרבות דגיש. התוצאות שלנו הראו ירידה כוללת של מתחים והלחצים הבינתאיים, הרומז Cx43 ממלאת תפקיד מרכזי בביומכניקה של האנדותל.

Protocol

1. ייצור ג’לים פוליאקרילאמיד (פי אי) הכנת צלחת פטרי להכין את הפתרון לאגד silane על ידי ערבוב 200 mL המים אלקטרופורזה עם 80 μl חומצה אצטית 50 μl של 3-(טרימתאוקסיסילקסיל) פרופיל מתיונין. Bind silane הוא פתרון המשמש לתפקד בתחתית הזכוכית משטח צלחת פטרי עבור הידרוג’ל מצורף. מערבבים את ה…

Representative Results

חדות הפאזה תמונות של שליטה, 0.2 μg/mL, ו 2 μg/mL chalcone טופלו monolayers נלקחו 30 דקות לפני הטיפול chalcone (איור 1א-ג) ו 2 שעות לאחר טיפול chalcone (איור 1D-F). המושרה displacements חרוז (μm) נצפו כדי להקטין את שניהם חלב במינון נמוך ומינון גבוה התנאים chalcone (<…

Discussion

הקבוצה שלנו, כמו גם אחרים, כבר בהצלחה באמצעות tfm ו MSM כדי לחקור את ההשפעה של צמתים תא תא בתהליכים הסלולריים הפתולוגיים והפיסיולוגיים שונים בתוך מבחנה7,15,18,27 . לדוגמה, הארדין ואח ‘ הציג מחקר תובנה מאוד המציעה מדריכים העברת מ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי אוניברסיטת מרכז פלורידה הסטארט-up ואת הלב הלאומי, ריאות, ובדם המכון של המכון הלאומי לבריאות תחת הפרס K25HL132098.

Materials

18 mm coverslip ThermoFisher 18CIR-1 Essential to flatten polyacrylamide gels
2% bis-acrylamide BIO-RAD 1610143 Component of polyacrylamide gel
2′,5′-Dihydroxychalcone SIGMA IDF00046 To disrupt Cx43 structure
3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate SIGMA 2530-85-0 Stock solution to make bind silane mixture with acetic acid and ultra-pure water
40% Acrylamide BIO-RAD 1610140 Component of polyacrylamide gel
Acetic acid Fisher-Sceintific 64-19-7 Essential to make bind saline solution
Alexa Fluro 488 goat anti-mouse IgG; ThermoFisher Catalog # A-11001 Secondary antibody
Ammonium persulfate BIO-RAD 1610700 Polyacrylamide gel polymerizing agent
Bovine Serum Albumin (BSA) SIGMA 9048-46-8 To make blocking solution
Bovine Type I Atelo-Collagen Solution, 3 mg/mL, 100 mL Advance Biomatrix 5005-100ML Use as a extracellular matrix
Corning Cell Culture Phosphate Buffered Saline (1x) Fisher-Sceintific 21040CV Buffer Saline needed for cell culture
Dimethyl Sulfoxide, Fisher BioReagents Fisher-Sceintific 67-68-5 To dissolve chalcone and make stock solution
Fluoromount-G with DAPI ThermoFisher 00-4959-52 Mounting medium for immunostaing used to stain for DAPI
Fluroscent microsphere Carboxylate-modified beads ThermoFisher F8812 0.5 micron carboxylate-modified beads (red), 2% solids
HEPES buffer solution 1 M SIGMA 7365-45-9 Essential to
LVES ThermoFisher A1460801 Essential HUEVC media 200 supplement
Medium 200 ThermoFisher M200500 Essential media for HUVEC cell culture
Mouse monoclonal Cx43 antibody (CX – 1B1) ThermoFisher Catalog #13-8300 Primary antibody for Cx43
Petri dish (35 mm dia) CellVis D35-20-1.5H 35 mm petri dish with a 20 mm center well
Sulfo-SANPAH Crosslinker 100 mg Proteochem 102568-43-4 Essential to functionalize polyacrylamide gel surface
SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit DOW corning 2646340 Silicon elastomer with curing agent to make PDMS
TEMED BIO-RAD 1610801 Polyacrylamide gel polymerizing agent
Triton-X 100 SIGMA 9002-93-1 To permeabilize cells
Trypsin -EDTA ThermoFisher 25300054 Used to detach cells

References

  1. Mammoto, T., Mammoto, A., Ingber, D. E. Mechanobiology and developmental control. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 29, 27-61 (2013).
  2. Schwarz, U. S., Soine, J. R. Traction force microscopy on soft elastic substrates: A guide to recent computational advances. Biochimica et Biophysica Acta. 1853 (11 Pt B), 3095-3104 (2015).
  3. Style, R. W., et al. Traction force microscopy in physics and biology. Soft Matter. 10 (23), 4047-4055 (2014).
  4. Colin-York, H., et al. Super-Resolved Traction Force Microscopy (STFM). Nano Letters. 16 (4), 2633-2638 (2016).
  5. Zimmermann, J., et al. Intercellular stress reconstitution from traction force data. Biophysical Journal. 107 (3), 548-554 (2014).
  6. Islam, M. M. Recent Advances in Experimental Methods of Cellular Force Sensing. Biomedical Journal of Science & Technical Research. 17 (3), (2019).
  7. Steward Jr, R., Tambe, D., Hardin, C. C., Krishnan, R., Fredberg, J. J. Fluid shear, intercellular stress, and endothelial cell alignment. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 308 (8), C657-C664 (2015).
  8. Trepat, X., et al. Physical forces during collective cell migration. Nature Physics. 5, 426-430 (2009).
  9. Li, Z., et al. Cellular traction forces: a useful parameter in cancer research. Nanoscale. 9 (48), 19039-19044 (2017).
  10. Brugues, A., et al. Forces driving epithelial wound healing. Nature Physics. 10 (9), 683-690 (2014).
  11. Pasqualini, F. S., et al. Traction force microscopy of engineered cardiac tissues. PLoS One. 13 (3), e0194706 (2018).
  12. Tambe, D. T., et al. Collective cell guidance by cooperative intercellular forces. Nature Materials. 10 (6), 469-475 (2011).
  13. Tambe, D. T., et al. Monolayer stress microscopy: limitations, artifacts, and accuracy of recovered intercellular stresses. PLoS One. 8 (2), e55172 (2013).
  14. Butler, J. P., Tolic-Norrelykke, I. M., Fabry, B., Fredberg, J. J. Traction fields, moments, and strain energy that cells exert on their surroundings. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 282 (3), C595-C605 (2002).
  15. Hardin, C. C., et al. Long-range stress transmission guides endothelial gap formation. Biochemical and Biophysical Research Communications. 495 (1), 749-754 (2018).
  16. Cho, Y., Son, M., Jeong, H., Shin, J. H. Electric field-induced migration and intercellular stress alignment in a collective epithelial monolayer. Molecular Biology of the Cell. 29 (19), 2292-2302 (2018).
  17. Krishnan, R., et al. Substrate stiffening promotes endothelial monolayer disruption through enhanced physical forces. American Journal of Physiology-Cell Physiology. 300 (1), C146-C154 (2011).
  18. Islam, M. M., Steward, R. L. Probing Endothelial Cell Mechanics through Connexin 43 Disruption. Experimental Mechanics. 59, 327 (2019).
  19. Figueroa, X. F., Duling, B. R. Gap junctions in the control of vascular function. Antioxidants & Redox Signaling. 11 (2), 251-266 (2009).
  20. Nielsen, M. S., et al. Gap junctions. Comprehensive Physiology. 2 (3), 1981-2035 (2012).
  21. Sohl, G., Willecke, K. Gap junctions and the connexin protein family. Cardiovascular Research. 62 (2), 228-232 (2004).
  22. Haefliger, J. A., Nicod, P., Meda, P. Contribution of connexins to the function of the vascular wall. Cardiovascular Research. 62 (2), 345-356 (2004).
  23. Marquez-Rosado, L., Solan, J. L., Dunn, C. A., Norris, R. P., Lampe, P. D. Connexin43 phosphorylation in brain, cardiac, endothelial and epithelial tissues. Biochimica et Biophysica Acta. 1818 (8), 1985-1992 (2012).
  24. Liao, Y., Day, K. H., Damon, D. N., Duling, B. R. Endothelial cell-specific knockout of connexin 43 causes hypotension and bradycardia in mice. Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (17), 9989-9994 (2001).
  25. Walker, D. L., Vacha, S. J., Kirby, M. L., Lo, C. W. Connexin43 deficiency causes dysregulation of coronary vasculogenesis. Developmental Biology. 284 (2), 479-498 (2005).
  26. Lee, Y. N., et al. 2′,5′-Dihydroxychalcone down-regulates endothelial connexin43 gap junctions and affects MAP kinase activation. Toxicology. 179 (1-2), 51-60 (2002).
  27. Bazellieres, E., et al. Control of cell-cell forces and collective cell dynamics by the intercellular adhesome. Nature Cell Biology. 17 (4), 409-420 (2015).
  28. Nam, N. H., et al. Synthesis and cytotoxicity of 2,5-dihydroxychalcones and related compounds. Archives of Pharmacal Research. 27 (6), 581-588 (2004).

Play Video

Cite This Article
Islam, M. M., Steward, Jr., R. L. Perturbing Endothelial Biomechanics via Connexin 43 Structural Disruption. J. Vis. Exp. (152), e60034, doi:10.3791/60034 (2019).

View Video