Photopatterning חלבונים ותאים בסביבה מימית שימוש Tio<sub> 2</sub> Photocatalysis
Summary
We describe a protocol for modifying cell affinity of a scaffold surface in aqueous environment. The method takes advantage of titanium dioxide photocatalysis to decompose organic film in the photo-irradiated region. We show that it can be used to create microdomains of scaffolding proteins, both ex situ and in situ.
Abstract
מזהמים אורגניים אשר נספחים על פני השטח של תחמוצת טיטניום (Tio 2) יכולים להיות מפורקים על ידי photocatalysis באור אולטרה סגול (UV). כאן אנו מתארים פרוטוקול רומן העסקת photocatalysis Tio 2 לשנות זיקת תא של משטח המצע מקומי. לצורך ניסוי זה, Tio 2 סרט דק היה על coverslip זכוכית מצופה גמגום, ופני שטח Tio 2 שונה לאחר מכן עם monolayer organosilane נגזר מoctadecyltrichlorosilane (OTS), אשר מעכב את הידבקות תא. המדגם היה שקוע במדיום תרבית תאים, והתמקד אור UV היה מוקרן לאזור מתומן. כאשר תאי PC12 שורת תאים עצביים היו מצופים על המדגם, תאים דבקו רק באזור המוקרן UV. בנוסף, אנו מראים כי שינוי פני השטח זה יכול גם להתבצע באתר, כלומר, גם כאשר תאים גדלים על המצע. שינוי נכון של פני השטח הנדרש עמ 'מטריקסrotein קולגן להיות נוכח במדיום בעת קרינת UV. הטכניקה המוצגת כאן יכולה להיות מועסקות פוטנציאלית בסוגי תאים מרובים דפוסים לבניית מערכות coculture או לתמרן באופן שרירותי תאים תחת התרבות.
Introduction
תהליכים ליתוגרפיה סמיקונדקטור ונגזרותיו – כגון 1,2 photolithography, ליתוגרפיה קרן האלקטרונים 3-6, וmicrocontact הדפסת 7-10 – הפכו להיות עכשיו כלי הוקם בביולוגיה של תא לגדול תאי חיים בעמדה וגיאומטריה מוגדרות. שיטת הדפוסים מסתמכת על השימוש במצעי microfabricated, בהיקף של מיקרו-האי של ציפוי מתירנית תא ברקע שאינו מתירנית. מצע כזה משמש כתבנית לתבנית התאים. טכנולוגיות אלה סיפקו לנו את שיטות הרומן להנדס תאים ותפקודם ברמה חד ורב-תאית, כדי לחלץ את המאפיינים הפנימיים של תאים, ולהגדיל את התפוקה של הקרנת סמים מבוססי תאים 11.
התואר של חופש בדפוסי תא היה להגדיל באופן משמעותי אם הגיאומטריה דפוס תבנית אפשר לשנות באתר, כלומר, בזמן שתאים בתרבית על יםurface. השיטות המקובלות להיווצרות דפוס לא ניתן ליישם ישירות כאן, שכן הם לעבד דגימות באווירה או בואקום. טכניקות שינוי פני השטח חדשות ולכן שונות הוצעו, המבוססים, למשל, על תרכובות photoreactive 12,13 או אבלציה לייזר 5,14, רק כדי שם כמה. השיטות המוצעות נבדקו יפה על ידי אל Robertus et. 15, ולאחרונה על ידי צ'וי et al. 16 ועל ידי נאקאנישי 17.
כאן במאמר זה, אנו מתארים פרוטוקול רומן של שינוי באתר פני השטח, אשר מנצל את פירוק photocatalytic של מולקולות אורגניות על דו תחמוצת טיטניום (Tio 2) משטח 18,19. בשיטה זו, סרט Tio 2 מוכנס בין מצע הזכוכית והסרט האורגני ממשקים התאים, והסרט האורגני מתפרק באתר על ידי מקומי הקרנת אור אולטרה סגול (UV)אור לאזור של עניין (λ <ננומטר 388). אנו מראים כי הפרוטוקול החדש יכול לשמש ליצירה של חלבונים תאיים micropatterns מטריצה ותאי חיים הן באתרו לשעבר ובאתרו. Tio 2 הוא ביולוגית, כימי יציב, ושקוף אופטי, תכונות שהופך אותו לידידותי להציג בניסויי תא-תרבות. פרוטוקול זה מספק אלטרנטיבה חומרים מבוסס מדע לשינוי פיגומי תא-תרבות בסביבת תא-תרבות.
Protocol
Representative Results
Discussion
בפרוטוקול הנוכחי שלנו, Tio 2 סרט נוצר על ידי המקרטעת RF-magnetron. אנו דוגלים בשיטה זו בתצהיר שכן הוא מאפשר לנו להכין reproducibly Tio 2 סרט photocatalytic עם חספוס תת-ננומטר. למרות שתהליכי גמגום בתצהיר הם מוכרים למדעני חומרים ומהנדסי אלקטרוניקה, זה לא יכול להיות די נגיש לביולוג?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Authors thank Mr. Kotaro Okubo for the kind assistance with SEM imaging. This work was supported by the Japan Society for the Promotion of Science Grant-in-Aid for Basic Research (B) (20310069), Grant-in-Aid for Research Activity Start-up (25880021), and by research grants from the Kurata Memorial Hitachi Science and Technology Foundation and the Nippon Sheet Glass Foundation for Materials Science and Engineering.
Materials
| Glass coverslip | Warner Instruments | CS-15R15 | 15 mm, #1.5 thickness |
| Diamond scriber | Ogura Jewel Industry | D-Point Pen | |
| RF sputtering system | ANELVA | SPC350 | |
| TiO2 sputtering target | Kojundo Chemical Lab | Titanium (IV) oxide, target | Purity, 99.9% |
| Plasma reactor | Yamato | PR301 | |
| n-octadecyltrichlorosilane (OTS) |
Aldrich | 104817 | |
| Toluene | Wako | 204-01866 | |
| Tissue-culture dish (35 mm) | Greiner | 627160 | |
| Tissue-culture dish (60 mm) | BD Falcon | 353002 | |
| Type-IV collagen | Nitta Gelatin | Cellmatrix Type IV | |
| D-PBS | Gibco | 14190-144 | |
| Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) | Gibco | 11885-084 | |
| Fetal bovine serum | Gibco | 12483-020 | Heat-inactivate and pass through a 0.22 mm filter before use |
| Horse serum | Gibco | 26050-088 | Pass through a 0.22 mm filter before use |
| Penicillin-streptomycin (100x) | Nacalai tesque | 26253-84 | |
| 7S nerve growth factor (NGF) | Alomone Labs | N-130 | |
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | A2153 | |
| EDTA | Dojindo | N001 | Stock solution in 0.5 M |
| TiO2 nanoparticle | Tayca | TKD-701 |
References
- Hughes, M. A., Brennan, P. M., Bunting, A. S., Shipston, M. J., Murray, A. F. Cell Patterning on Photolithographically Defined Parylene-C: SiO2 Substrates. J. Vis. Exp. (85), e50929 (2014).
- Kleinfeld, D., Kahler, K. H., Hockberger, P. E. Controlled Outgrowth of Dissociated Neurons on Patterned Substrates. J. Neurosci. 8, 4098-4120 (1988).
- Pensen, D., Heinz, W. F., Werbin, J. L., Hoh, J. H., Haviland, D. B. Electron Beam Patterning of Fibronectin Nanodots that Support Focal Adhesion Formation. Soft Matter. 3, 1280-1284 (2007).
- Tanii, T., et al. Application of Organosilane Monolayer Template to Quantitative Evaluation of Cancer Cell Adhesive Ability. Jpn. J. Appl. Phys. 50, 06GL01 (2011).
- Yamamoto, H., et al. In-Situ Guidance of Individual Neuronal Processes by Wet Femtosecond Laser Processing of Self-Assembled Monolayers. Appl. Phys. Lett. 99, 163701-1610 (2011).
- Yamamoto, H., et al. Differential Neurite Outgrowth is Required for Axon Specification by Cultured Hippocampal Neurons. J. Neurochem. 123, 904-910 (2012).
- Shen, K., Qi, J., Kam, L. C. Microcontact Printing of Proteins for Cell Biology. J. Vis. Exp. (22), e1065 (2008).
- Johnson, D. M., LaFranzo, N. A., Maurer, J. A. Creating Two-Dimensional Patterned Substrates for Protein and Cell Confinement. J. Vis. Exp. (55), e3164 (2011).
- Singhvi, R., et al. Engineering Cell Shape and Function. Science. 264, 696-698 (1126).
- Chen, C. S., Mrksich, M., Huang, S., Whitesides, G. M., Ingber, D. E. Geometric Control of Cell Life and Death. Science. 276, 1425-1428 (1997).
- Degot, S., et al. Improved Visualization and Quantitative Analysis of Drug Effects using Micropatterned Cells. J. Vis. Exp. (46), e2514 (2010).
- Nakanishi, J., et al. Photoactivation of a Substrate for Cell Adhesion under Standard Fluorescence Microscopes. J. Am. Chem. Soc. 126, 16314-16315 (2004).
- Kim, M., et al. Addressable Micropatterning of Multiple Proteins and Cells by Microscope Projection Photolithography Based on a Protein Friendly Photoresist. Langmuir. 26, 12112-12118 (2010).
- Deka, G., Okano, K., Kao, F. -. J. Dynamic Photopatterning of Cells In Situ by Q-Switched Neodymium-Doped Yttrium Ortho-Vanadate. Laser. J. Biomed. Opt. 19, 011012 (2014).
- Robertus, J., Browne, W. R., Feringa, B. L. Dynamic Control over Cell Adhesive Properties using Molecular-Based Surface Engineering Strategies. Chem. Soc. Rev. 39, 354-378 (2010).
- Choi, I., Yeo, W. -. S. Self-Assembled Monolayers with Dynamicity Stemming from (Bio)chemical Conversions: From Construction to Application. ChemPhysChem. 14, 55-69 (2013).
- Nakanishi, J. Switchable Substrates for Analyzing and Engineering Cellular Functions. Chem. Asian J. 9, 406-417 (2014).
- Yamamoto, H., et al. In Situ Modification of Cell-Culture Scaffolds by Photocatalytic Decomposition of Organosilane Monolayers. Biofabrication. 6, 035021 (2014).
- Sekine, K., Yamamoto, H., Kono, S., Ikeda, T., Kuroda, A., Tanii, T. Surface Modification of Cell Scaffold in Aqueous Solution using TiO2 Photocatalysis and Linker Protein L2 for Patterning Primary Neurons. e-J. Surf. Sci. Nanotech. 13, 213-218 (2015).
- Arima, Y., Iwata, H. Effects of Surface Functional Groups on Protein Adsorption and Subsequent Cell Adhesion using Self-Assembled Monolayers. J. Mater. Chem. 17, 4079-4087 (2007).
- Fujishima, A., Zhang, X., Tryk, D. A. TiO2 Photocatalysis and Related Surface Phenomena. Surf. Sci. Rep. 63, 515-582 (2008).
- Sigal, G. B., Mrksich, M., Whitesides, G. M. Effect of Surface Wettability on the Adsorption of Proteins and Detergents. J. Am. Chem. Soc. 120, 3464-3473 (1998).
- Zhang, X., et al. A Transparent and Photo-Patternable Superhydrophobic Film. Chem. Commun. 2007, 4949-4951 (1039).
- Kaech, S., Banker, G. Culturing Hippocampal Neurons. Nat. Protoc. 1, 2406-2415 (2006).
