DNA çapraz bağlı poliakrilamid hidrojellerinin hazırlanışı
Summary
Laboratuvarımız iyi hücre fonksiyonu üzerinde doku sertliği modüle etkilerini anlamak için DNA çapraz bağlı poliakrilamid hidrojeller, dinamik bir hidrojel sistemi geliştirdi. İşte, bu hidrojeller hazırlamak için şemaları, açıklamaları ve protokolleri sağlamak.
Abstract
Mechanobiology hücre morfolojisi ve fonksiyonunu yönetmenlik fiziksel ipuçlarının kritik bir rol hitap yükselen bir bilimsel alandır. Doku sertlik hastalığı, geliştirme ve yaralanmaya bağlı olarak düzenlemesi nedeniyle Örneğin, hücre fonksiyonu üzerindeki doku elastikliği etkisi mechanobiology araştırmalar için önemli bir alan. Hücreler kaplama kez sertliğini değiştirmeyecektir Statik doku taklit malzeme veya malzemeler, ağırlıklı olarak hücre fonksiyonları üzerine doku sertliğinin etkilerini araştırmak için kullanılır. Statik çalışmalarda toplanan bilgileri değerli iken, bu çalışmalar in vivo hücresel mikroçevresinin dinamik doğasının göstergesi değildir. Daha iyi hücre fonksiyonu üzerinde dinamik sertlik etkilerini gidermek için, bir DNA-çapraz bağlı poliakrilamid hidrojel sistemi (DNA jeller) geliştirdi. Diğer alt-tabakalar, dinamik farklı olarak, DNA, jeller, azaltmak veya uyaran olmadan imal edildikten sonra sertlikteki artış yeteneğine sahiptir. DNA, jeller, DNA crossl oluşmaktadırBir poliakrilamid omurga içine polimerleşir mürekkepler. Ekleme ve tek sarmallı DNA sağlama ile çapraz bağ çıkarma uzamsal, zamansal ve jel elastikiyet döner bir kontrol sağlar. Biz DNA jel elastisite dinamik modülasyonu fibroblast ve nöron davranışı etkilediğini önceki raporlarda göstermiştir. Bu raporda ve video, hazırlık DNA jeller üzerinde DNA jel çapraz mekanizmaları ve adım adım talimatları tanımlayan bir şematik sağlar.
Introduction
Statik ve dinamik yüzeylerde hücre fonksiyonu üzerinde doku esnekliği veya sertliğinin etkilerini incelemek için geliştirilen biyomalzeme iki kategori vardır. Statik yüzeyler onlar hücreleri kaplama ve / veya bir kez imal sonra fiziksel özelliklerini değiştirmek mümkün değildir. Poliakrilamid (PA) jeller mechanobiology araştırmalar 5,17 için sentez edilmiştir ilk iki boyutlu, statik maddelerdir. PA jeller çok yönlü, ucuz, hazırlanması kolay, ve elastik modülünün geniş bir yelpazesi ile imal edilebilir. Bu teknik avantajları PA yaygın olarak uygulanan bir alt tabaka jelleri yapmak, statik yüzeyler in vivo hücre dışı matriks (ECM) ve çevresindeki hücresel çevrenin dinamik doğasının göstergesi değildir. Örneğin, ECM yaralanma, gelişme ya da hastalığın bir sonucu olarak sertlik değişiklikleri maruz kalır. Dinamik alt-tabakalar, bu nedenle mechanobiology çalışmalarda doku taklit eden tabaka model olarak tercih edilir <sup> 22,24,25.
Çok sayıda doğal, sentetik, iki boyutlu, üç boyutlu, statik ve dinamik sertlik biyomateryaller doku 1,3,6,16,23,26 taklit etmek için geliştirilmiştir. Bazı dinamik yüzeyler mekanik özelliklerinin 2,4,7,8,12,15,16 değiştirmek için ısı, UV, elektrik akımını, iyonları ve pH değişiklikleri gerektiren, ancak bu uyaranların hidrojelin biyo-uygulama kısıtlayabilirsiniz. DNA çapraz bağlı poliakrilamid hidrojeller (DNA, jeller) dinamik bir iki boyutlu esnek substratlardır. DNA çapraz ortama tek bağlı DNA (ssDNA) eklenerek DNA jel sertliğinin, zamansal mekansal ve geri dönüşümlü modülasyonu için izin vermek veya 9-11,13,14,18,21 tampon. Uyaranlara elastikiyet modülasyonu için uygulanır belirtilen dinamik jeller farklı olarak, DNA jeller elastiklik değiştirilmesi için uygulanan ssDNA'nın difüzyon dayanır. Bu nedenle, hücrelerin büyüdüğü üst jel yüzeyi, o oran için modüle edilmiş birinci alanıf esnekliği modülasyon jel kalınlığına bağlıdır.
DNA, jeller, ancak bis-akrilamid çapraz bağlar DNA (Şekil 1) oluşan çapraz bağlar ile değiştirilir, bir poliakrilamid omurgaya sahip olmasıyla da Pensilvanya jel meslektaşları benzerdir. İki ssDNA'larının (SA1; ve SA2) jel DNA çapraz bağ oluşturan bir çapraz bağlayıcı kordon (L2) ile hibridize olur. SA1 ve SA2 hem PA ağına etkili katılması için 5'ucunda bir akridit modifikasyon içeren ayrı diziye sahiptir. Jeller, SA1 ve SA2 hazırlanması için ayrı ayrı bir PA omurgasına polimerize edilir, ve daha sonra polimerize SA1; ve SA2 karıştırılır. L2, çapraz bağlayıcı, ve SA1 SA2, karışıma ilave edilir. L2 baz sekansı, her iki SA1, ve SA2 dizilerine tamamlayıcı olan ve L2, DNA çapraz bağlar oluşturulması için SA1 artı SA2 ile melezleşir. Başlangıç, DNA jel elastikiyet L2 konsantrasyonları ve çapraz bağlama (Tablo 1 tarafından belirlenir </strong> ve 2). SA1 ve SA2 (% 100 jelleri olarak adlandırılır), L2 ile% 100 çapraz bağlanmış olduğundan L2 SA1 ve SA2 eşit olarak stokiyometrik miktarlarda ihtiva eden DNA jeller en sert jellerdir. Bu nedenle daha düşük bir çapraz bağlanma, DNA yüzdesi ve L2 sonucu daha düşük konsantrasyonlarda, daha yumuşak jeller DNA. (% 50 jel olarak belirlenmiştir)% 50 gibi düşük bir çapraz bağlanmış jeller, 9-11 inşa edilmiştir.
Şekil 1. çapraz bağlama ve DNA jel uncrosslinking şematik 9-11,13,14,18,21 Adım 1:. SA1, (kırmızı) ve SA2 (mavi) tek tek poliakrilamid omurga (siyah) polimerize edilir. Polimerizasyondan sonra SA1 ve SA2 polimerize çözeltiler karıştırılır. Adım 2: L2 (yeşil) ilave edildi ve jel ilave bağlar oluşturduğu SA1 artı SA2 ile hibridize edilir. Adım 3: R2, t ile hibridizeO L2 Toehold. Adım 4: R2'nin Toehold hibridizasyon SA1 ve SA2 gelen L2 unzipping iter.
PA jellerin aksine, DNA, jeller katılaştıran ve sentez sonrasında yumuşatır. Bu nedenle, DNA, jel üzerinde yetiştirilen hücreler, dinamik sıkılık değişikliklere tabi tutulabilir. Hücre-yapışkan jel sertleştirilmesi için, L2 çapraz bağların yüzdesini arttırmak için düşük bir yüzde jellerin kültür ortamına ilave edilebilir. Hücre-yapışkan jel yumuşatmak için, L2 çapraz bağların 10,13,21 yüzdesini azaltmak için çıkarılabilir. L2 ve L2 SA1 SA2 (Tablo 1) için uncrosslink izin vermek için 3 'ucunda bir ek Toehold dizisine sahiptir. L2 çıkarılması R2'nin adı verilen bir dönüş telin hibridizasyonu ile gerçekleştirilir. R2, L2 tam uzunlukta tamamlayıcı olan ve L2 toehold ilk hibridize olur. Toehold melezleştirme çapraz bağ ortadan kaldırır ve jel sertliği azaltır ve SA1 SA2 gelen L2 unzipping, iter.
Bu raporda vetalimatlar sertleştirme ve DNA jel yumuşatıcı hazırlanması için sağlanmış olan adım adım video. % 100 ve% 80 jel preparasyonlar tarif edilmesine rağmen, bu protokol için diğer başlangıç ve son çapraz bağlanmış yüzdeleri DNA jeller oluşturmak için uygun olabilir. Genel olarak,% 100 ve% 80 jel, hazırlanan cam kapak slipleri üzerinde hareketsiz kılınmış, fonksiyonalize ve hücreleri ile tohumlanmıştır. L2% 80 jellerin ortama ilave edilir ve R2,% 100 jeller, kaplama sonrası 48 saat arasında ortama ilave edilir. R2 ortama eklenmesi, çapraz bağlı% 80 ile% 100 jelleri yumuşatır ise ortama L2 ek olarak,% 100 çapraz bağlanmış jel% 80 sertleşir. Kasıldı jeller 80 →% 100 jeller olarak belirlenmiş ve yumuşatılmış jeller metinde 80 → 100 olarak% jelleri belirlenir. Kontrol ya da statik jeller, ssDNA için Ts oluşan ya da% 100 ve% 80 jeller başka bir dizi teslim edilir. Esnekliği modüle takip eden iki gün, en az sonra, hücreler işlenmiş ve analiz edilebilir.
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" fo:keep-together.within-page = "her zaman">Hücresel ve mekanik çalışmalar d birkaç kullanmıştır. SsDNA'ya 9-11,13,14,18,21 Tablo 1. Taban dizileriifferent çapraz tasarımları statik ve dinamik mekanik özellikleri bir dizi DNA jeller oluşturmak için. Çapraz tasarım ile modüle edilmiş parametreler baz dizisi ve dizi uzunluğu veya çapraz uzunlukta. Kalın ve italik yazı tipi SA1 ve L2 arasındaki sırasıyla SA2'nin ve L2 arasındaki baz eşleşmesinin göstermektedir.
| Tasarım | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | ||||||
| Akrilamid Konsantrasyon (%) | 10 | 10 | 10 | 4 | ||||
| SA1 artı L2 hibridize SA2 (% çapraz bağlanmış) | 50 | 80 | 100 | 50 | 80 | 100 | 100 | 100 |
| <strong> Esneklik (kPa ± SEM ortalama) | 6.6 ± 0.6 | 17.1 ± 0.8 | 29.8 ± 2.5 | 5.85 ± 0.62 | 12.67 ± 1.33 | 22.88 ± 2.77 | 25.2 ± 0.5 | 10.4 ± 0.6 |
Tablo 2. DNA, jel 9-11,13,14,18,21. Akrilamid konsantrasyonunun, çapraz yüzdesi ve çapraz uzunluğun Young modülü (E), DNA jellere de modüle edilebilir. Tasarımlar 1, 2 ve 3, sırasıyla, 20, 28 ve 40 bp'lik bir çapraz uzunluklara sahiptir. Tüm tasarımlar için% 100 jeller jel elastikiyeti etkilemez çapraz uzunluğunu gösteren benzer modülüne sahiptir. Bununla birlikte, akrilamid konsantrasyonunun değişiklikler DNA jel esnekliğini değiştirir.
Protocol
Representative Results
Discussion
DNA, jellerin özelliği yumuşatmak ya da hücre yapışması olanağına hücre işlevi üzerindeki dinamik doku sertliği rolünü incelemek için ideal bir model haline getirir önce ve sonra sertleştirir. Tüm üç tasarım mekanik ve biyolojik çalışmalarda kullanılmıştır. Bununla birlikte, her üç tasarım çapraz uzunluk DNA jel esneklik (Tablo 2) etki etmediğini gösterir, çeşitli çapraz bağlama yüzdeleri benzer esnekliklere sahiptir. Bunun aksine, akrilamid konsantrasyonunun elas…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar teşekkür etmek istiyorum: Dr Frank Jiang, Dr David Lin, Dr Bernard Yurke ve Dr Uday Chippada DNA jel teknoloji geliştirme katkıları için; Dr Norell Hadzimichalis, Smit Şah, Kimberly Peterman, onların yorum ve bu yazının düzenleme için Robert Arter; Omurilik üzerinde New Jersey Komisyonu Araştırma (Grant # 07A-019-SCR1 NAL) ve New Jersey Nörobilim Enstitüsü (MLP) dahil finansman kaynakları; ve Doku Mühendisliği yayıncılar, Bölüm A izni Şekil 3 yeniden basım izni için Şekil 2 ve 4 ve biyomalzemeleri yeniden yazdırmak için.
Materials
| ssDNA | Integrated DNA Technologies (Coralville, Iowa) idtdna.com |
Do not vortex ssDNA. Gentle invert the vial and/or pipette solution to mix. | |
| PBS with calcium and magnesium | Any brand. | ||
| 100X Tris-EDTA buffer (TE buffer) | Sigma-Aldrich (St. Loius, MO) sigmaldrich.com |
T9285 | |
| 10X Tris-Borate-EDTA buffer (TBE buffer) | Sigma-Aldrich (St. Loius, MO) | 93290 | TBE is a reproductive toxin. |
| 40% Acrylamide solution | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | BP14021 | Acrylamide is a toxin. |
| Ammonium persulfate (APS) | Sigma-Aldrich (St. Loius, MO) | A3678 | Prepare a 2% solution in TE buffer. APS is a toxin and irratant. |
| Tetramethylethylenediamine (TEMED) | Sigma-Aldrich (St. Loius, MO) | T9281 | Prepare a 20% solution in TE buffer. TEMED is flammable, a corrosive, and a toxin. |
| 12-mm diameter round coverglass | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) fishersci.com |
12-545-82 | |
| Norland optical adhesive 72 | Norland Products (Cranbury, NJ) norlandprod.com |
NOA72 | |
| 24-well tissue culture plate | Any brand. | ||
| Microcentrifuge tubes | Any brand. | ||
| Sulfo-SANPAH | ProteoChem or Thermo Fisher, (Rockland, IL) proteochem.com or thermofisher.com |
C111 or 22589 | Prepare a 0.315 mg/ml solution in water immediately before use. Dissolve at 37°C and filter sterilze. It is normal to observe undisolved sulfo-SANPAH in the filter. Sulfo-SANPAH is light sensitive and, therefore, the solution should be protect from light until UV exposure. |
| Poly-D-Lysine (PDL) | Sigma-Aldrich (St. Loius, MO) | P6407 | Prepare a 0.2 mg/ml solution in water and filter sterilize. |
| Collagen Type I | Affymetrix (Santa Clara, CA) affymetrix.com |
13813 | Prepare a 0.2 mg/ml solution in 0.2 N acetic acid. Solution needs to remain cold at all times to avoid polymerization. Acetic acid is a flammable, toxic, and corrosive. |
| 22 X 60 cover glass | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | 12-544-G | |
| Positive-displacement pipette | Gilson, Inc (Middletown, WI) gilson.com |
F148504 | |
| Heat block | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | 11-718 | |
| UV light source | Place gels as close as possible to the UV light. UV light can cause skin or eye injury. | ||
| Thermometer | Any brand. | ||
| Nitrogen gas | GTS-Welco (Flemington, NJ) www.praxairmidatlantic.com/ |
NI 5.0UH-R |
References
- Balaban, N. Q., et al. Force and focal adhesion assembly A close relationship studied using elastic micropatterned substrates. Nat Cell Biol. 3 (5), 466-472 (2001).
- Peppas Brannon-Peppas, L., Peppas, N. A. Dynamic and equilibrium swelling behaviour of ph-sensitive hydrogels containing 2-hydroxyethyl methacrylate. Biomaterials. 11 (9), 635-644 (1990).
- Charati, M. B., Ifkovits, J. L., Burdick, J. A., Linhardt, J. G., Kiick, K. L. Hydrophilic elastomeric biomaterials based on resilin-like polypeptides. Soft Matter. 5 (18), 3412-3416 (2009).
- Davis, K. A., Burke, K. A., Mather, P. T., Henderson, J. H. Dynamic cell behavior on shape memory polymer substrates. Biomaterials. 32 (9), 2285-2293 (2011).
- Dembo, M., Wang, Y. L. Stresses at the cell-to-substrate interface during locomotion of fibroblasts. Biophys J. 76 (4), 2307-2316 (1999).
- Gray, D. S., Tien, J., Chen, C. S. Repositioning of cells by mechanotaxis on surfaces with micropatterned youngs modulus. J Biomed Mater Res A. 66 (3), 605-614 (2003).
- Homma, M., Seida, Y., Nakano, Y. Effect of ions on the dynamic behavior of an electrodriven ionic polymer hydrogel membrane. Journal of applied Polymer Science. 82 (1), 76-80 (2001).
- Horkay, F., Tasaki, I., Basser, P. J. Osmotic swelling of polyacrylate hydrogels in physiological salt solutions. Biomacromolecules. 1 (1), 84-90 (2000).
- Jiang, F. X., Yurke, B., Firestein, B. L., Langrana, N. A. Neurite outgrowth on a DNA crosslinked hydrogel with tunable stiffnesses. Ann Biomed Eng. 36 (9), 1565-1579 (2008).
- Jiang, F. X., Yurke, B., Schloss, R. S., Firestein, B. L., Langrana, N. A. Effect of dynamic stiffness of the substrates on neurite outgrowth by using a DNA-crosslinked hydrogel. Tissue Engineering Part A. 16 (6), 1873-1889 (2010).
- Jiang, F. X., Yurke, B., Schloss, R. S., Firestein, B. L., Langrana, N. A. The relationship between fibroblast growth and the dynamic stiffnesses of a DNA crosslinked hydrogel. Biomaterials. 31 (6), 1199-1212 (2010).
- Kloxin, A. M., Tibbitt, M. W., Anseth, K. S. Synthesis of photodegradable hydrogels as dynamically tunable cell culture platforms. Nat Protoc. 5 (12), 1867-1887 (2010).
- Lin, D. C., Yurke, B., Langrana, N. A. Mechanical properties of a reversible, DNA-crosslinked polyacrylamide hydrogel. J Biomech Eng. 126 (1), 104-110 (2004).
- Lin, D. C., Yurke, B., Langrana, N. A. Use of rigid spherical inclusions in young’s moduli determination: Application to DNA-crosslinked gels. J Biomech Eng. 127 (4), 571-579 (2005).
- Luo, Y., Shoichet, M. S. Light-activated immobilization of biomolecules to agarose hydrogels for controlled cellular response. Biomacromolecules. 5 (6), 2315-2323 (2004).
- Marklein, R. A., Burdick, J. A. Spatially controlled hydrogel mechanics to modulate stem cell interactions. Soft Matter. 6 (1), 136-143 (2010).
- Pelham Jr, R. J., Wang, Y. Cell locomotion and focal adhesions are regulated by substrate flexibility. Proc Natl Acad Sci U S A. 94 (25), 13661-13665 (1997).
- Previtera, M. L., Chippada, U., Schloss, R. S., Yurke, B., Langrana, N. A. Mechanical properties of DNA-crosslinked polyacrylamide hydrogels with increasing crosslinker density. BioResearch Open Access. 1 (5), 256-259 (2012).
- Previtera, M. L., Langhammer, C. G., Firestein, B. L. Effects of substrate stiffness and cell density on primary hippocampal cultures. J Biosci Bioeng. 110 (4), 459-470 (2010).
- Previtera, M. L., Langhammer, C. G., Langrana, N. A., Firestein, B. L. Regulation of dendrite arborization by substrate stiffness is mediated by glutamate receptors. Ann Biomed Eng. 38 (12), 3733-3743 (2010).
- Previtera, M. L., Trout, K. L., Verma, D., Chippada, U., Schloss, R. S., Langrana, N. A. Fibroblast morphology on dynamic softening of hydrogels. Ann Biomed Eng. 40 (5), 1061-1072 (2012).
- Saxena, T., Gilbert, J., Stelzner, D., Hasenwinkel, J. Mechanical characterization of the injured spinal cord after lateral spinal hemisection injury in the rat. J Neurotrauma. 29 (9), 1747-1757 (2012).
- Sundararaghavan, H. G., Monteiro, G. A., Firestein, B. L., Shreiber, D. I. Neurite growth in 3d collagen gels with gradients of mechanical properties. Biotechnol Bioeng. 102 (2), 632-643 (2009).
- Wozniak, M. A., Chen, C. S. Mechanotransduction in development A growing role for contractility. Nat Rev Mol Cell Biol. 10 (1), 34-43 (2009).
- Wuerfel, J., et al. Mr-elastography reveals degradation of tissue integrity in multiple sclerosis. Neuroimage. 49 (3), 2520-2525 (2012).
- Zaari, N., Rajagopalan, P., Kim, S. K., Engler, A. J., Wong, J. Y. Photopolymerization in microfluidic gradient generators Microscale control of substrate compliance to manipulate cell response. Adv Mater. 16 (23-24), 2133-2137 (2004).
