RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
tr_TR
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Childérick Severac*1, Sergio Proa-Coronado*1,2,3, Cécile Formosa-Dague4, Adrian Martinez-Rivas3,5, Etienne Dague2
1ITAV-CNRS,Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France, 2LAAS-CNRS,Université de Toulouse, CNRS, Toulouse, France, 3ENCB, Instituto Politécnico Nacional (IPN), Mexico City, Mexico, 4TBI, Université de Toulouse, CNRS, INRA, INSA, Toulouse, France, 5CIC, Instituto Politécnico Nacional (IPN), Mexico City, Mexico
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Bu protokol, yüzlerce mikrobiyal hücre üzerinde AFM ölçümlerini otomatikleştirmeyi amaçlamaktadır. İlk olarak, mikroplar PDMS damga mikroyaplarına hareketsiz hale getirilir ve daha sonra yüzlerce hareketsiz hücre üzerinde kuvvet spektroskopisi ölçümleri otomatik olarak yapılır.
Bu makalede sunulan yöntem, Bio-AFM deneylerini ve kuvvet eğrilerinin kaydedilini otomatikleştirmeyi amaçlamaktadır. Bu yöntemi kullanarak, kuvvetleri 1000 hücreye otomatik olarak 4 saatte kaydetmek mümkündür. 4 saatlik analiz süresini korumak için hücre başına kuvvet eğrisi sayısı 9 veya 16'ya düşürülür. Yöntem, Jython tabanlı bir programı ve tanımlanmış desenler üzerinde hücreleri birleştirmek için bir stratejiyi birleştirir. Ticari bir Bio-AFM üzerinde uygulanan program, ucu dizinin ilk hücresine ortalayabilir ve ardından her hücrede kuvvet eğrileri kaydederken otomatik olarak hücreden hücreye hareket edebilir. Bu metodolojiyi kullanarak, hücrelerin sertlikleri, yapışkan özellikleri vb. Otomasyon ve analiz edilen çok sayıda hücre ile hücre popülasyonunun davranışına erişilebilir. Bu, biyo-AFM alanında şimdiye kadar verilerin sadece birkaç on hücreye kaydedildiği bir atılımdır.
Bu çalışma, atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanarak yüzlerce canlı hücre üzerinde otomatik kuvvet ölçümleri yapmak için bir metodoloji sağlar. Ayrıca, sıvı bir ortamda yapılan AFM deneyleriyle uyumlu bir PDMS mikro yapılandırılmış damga üzerindeki mikropları hareketsiz hale getirmek için bir yöntem sağlar.
Bio-AFM, biyolojideki uygulamalar için tasarlanmış ve daha sonra canlı hücreleri incelemek için kullanılan son derece uzmanlaşmış bir teknolojidir. O anda bir hücreyi analiz edebilecek eğitimli bir mühendise ihtiyaç var. Bu koşullarda, analiz edilebilen farklı hücrelerin sayısı oldukça küçüktür, tipik 5 ila 10 hücre 4-5 saat içinde. Bununla birlikte, tek bir hücrede kaydedilen kuvvet ölçümlerinin miktarı genellikle çok yüksektir ve kolayca 1000'e ulaşabilir. Bu nedenle, AFM kuvvet ölçümlerinin canlı hücreler üzerindeki mevcut paradigması, yüzlerce kuvvet eğrisini (FC) ancak sınırlı sayıda hücre üzerinde kaydetmektir.
İstatistiksel olarak, bu yaklaşım şüphelidir ve örneğin temsili konusunu gündeme getirmektedir. Aslında, örneğin, bu birkaç hücreye yüzlerce ölçüm kaydedilse bile, sadece birkaç hücreyi ölçerek bir hücre popülasyonunun heterojenliğini değerlendirmek zordur. Bununla birlikte, bu paradigma temelinde biyofizik, mikrobiyoloji ve nanotıp 1 ,2,3'te büyük ilerlemeler yapılmıştır. Gerçekten de, tek hücre ölçeğinde nanometre analizi hücresel nanomekanik, transmembran proteinlerinin organizasyonu veya antimikrobiyal veya antikanser ilaçların etki mekanizması hakkında yeni bilgiler sağlamıştır4,5,6,7. Bununla birlikte, son zamanlarda, hücreler üzerinde yapılan birkaç yüksek verimli biyomekanik test ortaya çıkmıştır8Bilimsel topluluğun bu paradigmayı değiştirmeye ve hücre popülasyonu heterojenliğine erişmeye olan ilgisini gösteren. Bu testlerin tümü, hücreleri deforme etmek ve genel yüzey elastikiyetlerinin dolaylı bir ölçüsünü elde etmek için stres altındaki deformasyonlarını optik olarak ölçmek için mikroakışkan sistemlere dayanır8. Bununla birlikte, bu yöntemlerle ilgili önemli bir sorun mono-parametrik olmalarıdır: sadece hücre esnekliği araştırılabilir. Ayrıca, örneğin memeli hücrelerinin veya biyofilmlerin sirkülasyonsuz çalışmaları için sınırlayıcı olabilen yapışık hücrelerin mekanik parametrelerinin ölçülmesine izin vermezler.
AFM'yi içeren yaklaşımlar S. Scheuring9 ve M. Favre10ekipleri tarafından geliştirilmiştir. Scheuring ve ark. fibronektin desenleri üzerinde hareketsiz hücreler9, tek tek hücreleri desen şeklini almaya zorlamak9. Daha sonra bu ekip, ortalama verileri tanımlamak için birkaç hücrenin mekanik özelliklerini haritaladı, 14 ila 18 hücreyi temsil etti. AfM cantilevers10paralelleştirerek ölçümleri çoklamayı amaçlayan Farve ve ark. Bilgimize göre, çoklama yönünde yapılan bu çalışma canlı hücreler üzerinde ölçümlere yol etmemektedir.
Dujardin'in ekibi tarafından önerilen ilginç bir yaklaşım, hücreleri tanımlayabilen ve özel yapım kuyuların dibinde görüntüleyebilen otomatik bir AFM sunar. Bu yöntem büyük bir hücre popülasyonunun analizine izin vermese de, her kuyuda farklı koşulların otomatik olarak testine izin verir11.
Ortalama bir hücreye değil, aksine hücreler arasındaki heterojenliğe erişmek için en az 1000 hücreyi ölçmek istediğimiz için bu çalışmadaki hedefimiz daha iddialı. Burada AFM kullanarak hücre popülasyon heterojenliğine erişmek için geliştirdiğimiz strateji, sınırlı sayıda kuvvet eğrisinin kaydedildiği yüzlerce hücrenin analizine dayanmaktadır. Sınırlı sayıda hücre üzerinde çok sayıda kuvvet eğrisi kaydetmenin "klasik" yaklaşımı ile karşılaştırıldığında, aynı bilgileri sağlamadığı için bu yaklaşım tamamlayıcı olarak düşünülmelidir. Gerçekten de, tipik yöntem, yaklaşımımızı kullanarak, bireysel hücre yüzeyi heterojenliğini araştırmamıza izin verirken, tüm hücre popülasyonu heterojenliğine erişebiliyoruz. Bu amaca ulaşmak için, mikropları (burada maya türü Candida albicans)doğrudan bir PDMS mikro yapılandırılmış damga12kuyularına indiren ve AFM ucunu otomatik olarak hücreden hücre13'e taşımak ve her hücrenin mekanik özelliklerini ölçmek için orijinal bir program geliştiren bir yöntem geliştirdik.
1. Mikrobiyal hücre kültürü
2. PDMS damga hazırlama
3. Örnek hazırlama
4. AFM programını çalıştırma
NOT: AFM programı Ek Malzeme olarak sağlanmıştır (AutomatipSoftware2019.pdf). Motorlu bir sahne ve JPK masaüstü yazılım sürümü 4.3 ile donatılmış bir JPK-Bruker AFM Nanowizard II veya III gerektirir. Program Jython altında geliştirilmiştir (python 2.7 tabanlı sürüm)
Açıklanan protokolü, caspofungin'in maya formundaki fırsatçı insan patojeni C. albicans'ın biyofiziksel özellikleri üzerindeki etkisini analiz etmek için kullandık. Caspofungin, hücrelerin antifungallere doğru geliştirdiği direnç mekanizmaları nedeniyle diğer ilaçlar etkisiz olduğunda kullanılan son şans antifungal molekülüdür. Etki mekanizması, ß glukan sentezi sorumlu karmaşık fks1/Fks2 alt birimi Fks2'nin inhibisyonunu temel almaktadır. ß glukanlar mantar hücre duvarının önemli bir bileşeni olduğundan16,17, hücre duvarının biyofiziksel özelliklerinin değiştirilmesini bekliyorduk: sertlik ve yapışma.
Şekil 6, yukarıda sunulan tüm protokol uygulandığında elde edilen tipik histogramları sunar. Kırmızı histogram, 957 yerel hücrede kaydedilen sertlik repartisyonunu ve 574 caspofungin tedavi edilmiş hücredeki mavi olanı temsil eder. İlk ilginç gözlem, her iki histogramın da değerlerin bimodal dağılımını gösterdiğidir. Bu gözlem sadece yüzlerce hücreyi ölçtüğümiz için mümkündür. Daha küçük örneklerde, araştırmacılar genellikle tek bir dağılım gözlemler ve popülasyon heterojenliğini kaçırırlar. 17,18
İkinci gözlem caspofungin etkisi ile ilgilidir. Hala iki alt nüfus varken küresel olarak hücrelerin sertliğini azaltır. Son adımda, önerilen protokol, Şekil 7'desunulan yerel ve işlenmiş hücrelerin ANOVA karşılaştırmasını sağlar. İki koşulun farklı bir sertliğe sahip olduğunu ve bu farkın son derece önemli olduğunu gösterir (p değeri < 0.001). Analiz edilen çok sayıda hücre sayesinde bu değere ulaşılır ve elde edilen sonuçlara daha fazla güven sağlar.
Otomatik olarak kaydedilen verilerden de yapıştırma çıkarılmıştır ve çıplak uç ile yerli hücreler arasındaki yapıştırma kuvvetinin 0,64 ± 0,6 nN olduğunu tespit ettik. Bu durumda ayrıca iki alt nüfus bulundu: birincisi 0.7 ± 1.4 nN ortalama yapıştırma kuvvetine sahipken, ikincisi 4.5 ± 1.5 nN. Caspofungin ile tedavinin yapışma üzerinde öngörülemeyen etkileri vardı. Bir deneyde hiçbir etki gözlenmedi, ancak başka bir deneyde, caspofungin uçtaki yapışmada bir azalmaya ve popülasyon yapışma heterojenliğinin azalmasına neden oldu. Bu sonuçlar Proa ve ark.13,totalite olarak sunuldukları yerden çıkarılır.

Şekil 1: Mikro yapılandırılmış damganın AFM aşamasındaki kabul edilebilir konumu.
Sol resimlerdeki eğim açısı (5°'ye kadar) program tarafından işlenebilir, ancak sağdaki eğim önemlidir (10°). Bu rakam13'ten değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: İlk koordinatları W1 ve W2 olarak gösteren doldurulmuş pdms damgalarının tipik AFM görüntüsü, tarama alanının boyutu (Δ2),eğim açısı (φ).
Bu Şekil13'ten değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Komut dosyasının kullanıcı giriş bölümü.
P1 ve P2, Şekil 2'nin kuyu 1 (W1) ve kuyu 2 (W2) koordinatlarını ifade eder. Diğer parametreler μm'deki perde, μm'deki kuyu boyutu (Ws), verileri kaydetmek için dizin yolu, otomatik AFM tarafından araştırılacak toplam kare alan (totalArea, toplam kare alanın μm'deki uzunluğudur) ve kuyu başına kuvvet eğrisi sayısıdır (numScans). Tüm birimler μm cinsindendir.

Şekil 4: Değerli (yeşil noktalar) ilk kuyulara bir örnek sağlayan optik görüntü.
Siyah kare, tarama alanını ve kırmızı noktaları, atılması gereken ilk kuyuları temsil eder. Bu rakam13'ten değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: AFM tarafından otomatik olarak yürütülen 5 adımı gösteren program akış çizelgesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Ortanca sertlik değerlerinin histogramları.
(A, B) Yerel ve caspofungin tedavi edilen hücre için hücre başına ortanca sonuçları gösterin. Bu rakam13'ten değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 7: Yerel ve caspofungin hücreleri ile tedavi karşılaştıran kutu çizimleri.
3 yıldız, p<0.001'in önemini temsil eder. Kutu sonuçların% 90'ını temsil eder, orta çizgi ortanca değerdir ve dikey çubuklar tüm verilerin aralığını temsil eder. Bu rakam13'ten değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 8: Değerlerin zaman konumu bağımlılığı.
Merkezdeki histogramlar, kurulan alt nüfuslara (mavi/sarı) karşılık gelen farklı alt gruplara ayrılan orijinal verilerdir. (A,B) Deneyde her saat iki alt popülasyonun varlığını gösterin. (C,D) girinti pozisyonlarını gösterir; her pozisyonda alt nüfusların (mavi/sarı) varlığını görmek mümkündür. Alt grup organizasyonu k-means algoritması kullanılarak yapıldı. Bu rakam13'ten değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 9: Güvenli alan.
PDMS kuyusunun içindeki bir alan, piramit ucunun kuyu dibine ulaşırken kuyu kenarına dokunmadığı alan olarak tanımlanmıştır (boş bir kuyu durumunda). Bu Şekil13'ten değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Tamamlayıcı Veriler. Bu dosyaları aşağı çekmek için lütfen buraya tıklayın.
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Bu protokol, yüzlerce mikrobiyal hücre üzerinde AFM ölçümlerini otomatikleştirmeyi amaçlamaktadır. İlk olarak, mikroplar PDMS damga mikroyaplarına hareketsiz hale getirilir ve daha sonra yüzlerce hareketsiz hücre üzerinde kuvvet spektroskopisi ölçümleri otomatik olarak yapılır.
Conacyt (Meksika), Fransa Dışişleri Bakanlığı ve Université Paris 13'ün FONCYCYT'ini kabul etmek istiyoruz, ancak tanı için Nano palpation adlı uluslararası işbirlikçi ECOS-NORD projesinin finansal desteği, 263337 Numara (Meksika) ve MI5P02 (Fransa). AMR, 20195489 No'yla SIP-IPN'nin finansal desteğine teşekkür eder. SPC, çift doktora sertifikası (IPN-UPS) almak için cotutelle anlaşması aracılığıyla CONACYT (No. 288029) ve IPN'den bir doktora bursu ile desteklenmektedir. ED ve CFD, Centre National de la Recherche Scientifique'de (CNRS) araştırmacıdır.
| AFM konsol | Bruker AFM probları | MLCT | Kullanılan konsollar " C” 7 ila 10 kHz rezonans frekansı ve k: 0.01 N/m |
| AFM veri analizi | JPK-Bruker | JPK Veri işleme sürümü minimum 5.1.8 | BirJPK-Bruker kullanıcısından indirilebilir |
| AFM Petri kapları | WPI | FluoroDish FD35-100 | Isıtıcı, deney sırasında sıcaklık değişimlerini izlemek için kullanıldı |
| Atomik kuvvet Mikroskobu (AFM) | JPK-Bruker | Nanowizard II veya III | AFM, motorlu bir kademeli ters çevrilmiş bir optik mikroskop üzerine monte edilmelidir |
| Caspofungin | Sigma-Aldrich | SML0425-5MG | Caspofungin, 4 MIC (Minimum İnhibitör Konsantrasyonu) konsantrasyonu ile kullanıldıKod |
| düzenleyici | Microsoft | Visual Studio Code sürüm 1.40.1 | |
| https://code.visualstudio.com/ Cryobeads | IFU | CB12 | |
| Dessicatör/Gaz Giderme | oda Fisherbrand | 15594635 | Ekipman, PDMS damgalarını yaklaşık 50 dakika boyunca gazdan arındırmak için kullanılır, bir vakum pompası ile birleştirilmiş herhangi bir dessikatör yeterli olacaktır. |
| Petri bulaşık ısıtıcısı | JPK-Bruker | PetriDishHeater | Bu, JPK/Bruker AFM'ye bir eklentidir. Isıtıcı, deney sırasında sıcaklık değişimlerini izlemek için kullanıldı |
| Sodyum asetat tamponu pH 5.2 | Sigma-Aldrich | S7899 | Çözelti 18 mM sodyum asetat, 1 mM CaCl2 ve 1 mM MnCl2 içerir. PH'ı buzlu asetik asit ile ayarlayın. Çözelti 4 ° C'de saklanabilir; 2 ay boyunca |
| C İstatistiksel analiz dili | https://www.r-project.org | R sürüm 3.6.1 | R, istatistiksel hesaplama ve grafikler için bir dil ve ortamdır. R Foundation |
| R studio sürüm 1.1.463 | işbirliğinehttps://rstudio.com | S dili ve ortamıİstatistiksel analiz yazılımına | benzeyen bir GNU projesidir. RStudio ve Shiny, Açık Erişim İstatistik Vakfı'nın bağlı projeleridir |
| Sylgard 184 | Sigma-Aldrich | 761028 | Polidimetilsiloksan (PDMS) ve bir sette kürleme maddesi |
| Maya Pepton D Et Suyu | Difco | 242820 | |
| YPD Agar | Difco | DF0427-17-6 |