Uma plataforma Novel Alongamento para Aplicações em Celular e Tecidual mechanobiology
Summary
Apresentamos neste artigo uma novela que se estende plataforma que pode ser usada para investigar as respostas das células individuais a complexa deformação mecânica biaxial anisotrópica e quantificar as propriedades mecânicas dos tecidos biológicos.
Abstract
As ferramentas que permitem a aplicação de forças mecânicas de células e tecidos, ou que podem quantificar as propriedades mecânicas dos tecidos biológicos têm contribuído significativamente para o entendimento de mechanobiology básico. Estas técnicas têm sido amplamente utilizados para demonstrar como o aparecimento e progressão de várias doenças são fortemente influenciados por estímulos mecânicos. Este artigo apresenta uma plataforma multi-funcional biaxial alongamento (BAXS) que pode estimular mecanicamente células individuais ou quantificar a rigidez mecânica dos tecidos. A plataforma BAXS consiste de quatro motores de bobina de voz, que pode ser controlada de forma independente. As células individuais podem ser cultivadas num substrato flexível que pode ser ligada aos motores que permitem uma para expor as células a campos de deformação complexos, dinâmicos, e variando espacialmente. Por outro lado, através da incorporação de uma célula de carga de força, pode-se também quantificar as propriedades mecânicas dos tecidos primários, eles são expostos a ciclos de deformação.Em ambos os casos, um conjunto apropriado de braçadeiras devem ser concebidas e montadas para os motores de plataforma BAXS de modo a segurar firmemente o substrato flexível ou o tecido de interesse. A plataforma BAXS pode ser montado em um microscópio invertido para realizar luz transmitida em simultâneo e / ou imagem de fluorescência para verificar a resposta estrutural ou bioquímica da amostra durante as experiências de alongamento. Este artigo fornece detalhes experimentais do projeto e utilização da plataforma BAXS e apresenta os resultados de estudos de tecidos inteiros única célula e. A plataforma BAXS foi usado para medir a deformação de núcleos nas células do rato mioblastos individuais em resposta ao substrato tensão e para medir a rigidez de isolados de rato aortas. A plataforma BAXS é uma ferramenta versátil, que pode ser combinado com vários microscopia óptica, a fim de proporcionar novos conhecimentos mechanobiological nos níveis de tecidos sub-celular, celular e inteiro.
Introduction
O microambiente mecânica desempenha um importante papel em muitas funções celulares tais como a proliferação, migração e diferenciação, que têm um impacto profundo no desenvolvimento e homeostasia dos tecidos e também em doenças 1-6. Ao longo dos anos, uma série de ferramentas experimentais têm sido utilizados para estimular mecanicamente as células ou tecidos e medir as propriedades mecânicas dos tecidos biológicos com o objetivo de aumentar a compreensão das mechanobiology básico e estudando o início e progressão de doenças 6-17. No entanto, deve-se muitas vezes dependem de vários dispositivos experimentais diferentes, a fim de alcançar os objetivos de um estudo particular. Este artigo apresenta uma plataforma única, multi-funcional, biaxial alongamento (BAXS) que permite para os estudos que investigam o papel que as propriedades mecânicas e forças mecânicas jogar em biologia na sub-celular para escalas de comprimento tecido inteiras. A plataforma BAXS não só permite a quantification das propriedades mecânicas dos tecidos isolados, mas também facilita a capacidade de aplicar campos de tensão simples, complexos, e dinâmicas de células vivas, de modo a compreender as suas respostas ao alongamento que ocorre in vivo. A plataforma BAXS também mantém a capacidade de realizar microscopia de células ao vivo durante os testes mecânicos e perturbações em células e tecidos.
A plataforma BAXS é um aparelho integrado personalizado que pode ser utilizado para investigar o efeito de deformação do substrato, ao nível celular e realizar ensaios de tracção em tecidos biológicos (Figura 1A). Um aquecedor de alumínio foi fabricado para acomodar um padrão prato de Petri de 10 cm e manter as soluções fisiológicas, a 37 ° C, utilizando um controlador de temperatura e aquecedores de Kapton (Figura 1B). Esta plataforma BAXS podem ser integrados em um contraste de fase invertida e / ou microscópio de fluorescência e permite a gravação simultânea (Figura 1C).Em breve, a plataforma BAXS consiste de quatro motores lineares de bobina de voz, dos quais as partes móveis são montadas em lâminas de rolamento de esferas de movimento linear em miniatura orientados ao longo de dois eixos perpendiculares (Figura 1D). Uma fase de posicionamento linear é montado em cada um dos quatro motores para permitir o movimento vertical do sistema de aperto que vai ser usado (Figura 1E). A posição de cada um dos motores é controlada por um codificador óptico com uma resolução de 500 nm (Figura 1F). Todos os quatro motores são controlados de forma independente com um controlador de movimento empregando retorno do codificador óptico para executar comandos de movimento (Figura 1G). Uma interface LabVIEW fornece controle total sobre a magnitude do deslocamento, velocidade e aceleração de cada motor, a fim de gerar deformação completamente customizável, estática e dinâmica, das células ou amostras de tecido.
A técnica utilizada para induzir uma deformação em células é conseguido por simplesmente allowing de células para aderir firmemente a um substrato flexível e transparente e, em seguida, este alongamento do substrato utilizando quatro motores da plataforma BAXS. A plataforma BAXS permite a montagem de qualquer conjunto de design personalizado de grampos para prender o substrato sobre os motores de bobina de voz. Para esta finalidade, desenvolvemos uma série de grampos para que um substrato transparente e flexível, feita de polidimetilsiloxano (PDMS), podem ser ligados (Figuras 2A-C e Figura 3). Como os grampos vai ser exposto a soluções fisiológicas, todas as partes foram maquinados a partir de aço inoxidável para permitir a esterilização. Estes grampos foram cuidadosamente concebidos para levar o substrato tão perto quanto possível em relação ao objectivo do microscópio para melhorar a qualidade de imagem ao mesmo tempo minimizando a tensão sobre o substrato durante o alongamento (Figura 2D).
A mesma plataforma BAXS também pode ser utilizado para quantificar a rigidez de pequenas amostras de tecido, utilizando um conjunto apropriado de braçadeiras com adaptaçãoted suporte para as amostras de tecido e de uma célula de carga para monitorar forças. Várias abordagens podem ser tomadas para a montagem de um tecido para os motores de plataforma BAXS; neste caso, os aços inoxidáveis micro alfinetes minucias insectos pinos pode ligar através da abertura de tecidos vasculares, a fim de realizar ensaios de tracção (Figuras 4A-B). Em alternativa, no caso dos tecidos de espessura sem uma abertura natural, as bordas do tecido pode ser mantido em posição com grampos ligados aos motores de bobina de voz, ou colados às pequenas lâminas de vidro com cola biológica e ligados aos motores com os grampos. A fim de realizar os testes de tracção é necessária uma célula de carga e em miniatura podem ser facilmente incorporados em motores de plataforma BAXS e usadas para medir a força que actua sobre o tecido durante um ciclo de alongamento (Figura 4C). À medida que a plataforma BAXS é composta de quatro motores, a introdução de uma segunda célula de carga permite a realização de testes de tracção ao longo de duas direcções ortogonais. Esta capacidade permite quantify a rigidez mecânica de um único tecido ao longo de duas direcções perpendiculares, durante o mesmo experimento.
Importante, em todas as configurações, as células ou amostras de tecido de interesse são sempre mantidas em um banho de temperatura controlada, que é acessível ao utilizador. Esta capacidade permite a introdução de agentes farmacológicos, durante o alongamento da amostra, a fim de analisar a resposta temporal da amostra. Além disso, como o eixo óptico do microscópio invertido permanece sem obstruções, todas as formas de microscopia ainda estão disponíveis para o utilizador. Finalmente, como todos os quatro motores da plataforma BAXS são independentes, é possível aplicar campos estirpe altamente configuráveis para a amostra de interesse. Em células in vivo e os tecidos são expostos a complexo e anisotrópica de alongamento que pode ser mais apropriadamente imitou nesta plataforma, em oposição a tradicional uniaxial 7,13,15,18,19 plataforma alongamento. Além disso, as características físicasdo campo de tensão pode ser alterado em tempo real durante um experimento. Essas habilidades permitem que o usuário examinar a resposta ao nível do tecido celular e um grande número de alta complexidade, anisotrópica, temporalmente, e os campos de deformação variando espacialmente. Este artigo descreve as vantagens e limitações da plataforma BAXS, bem como a sua concepção, princípios de funcionamento e os detalhes experimentais para uma única célula e tecido experiências integrais.
Figura 1. Visão geral da plataforma BAXS. A) Vista de cima da plataforma BAXS mostrando os quatro motores de bobina de voz. B) imagem detalhada do aquecedor de placa de Petri usada para manter as células e os tecidos a 37 ° C. C) A plataforma pode ser montada sobre um microscópio invertido para apresentar ao vivo- imagens de células durante as experiências de alongamento.D) imagem detalhada do motor de bobina de voz; E) foto da parte móvel da plataforma. detalhada da fase de posicionamento linear permitindo o deslocamento vertical dos sistemas de fixação. F) imagem detalhada do codificador óptico que fornece posição em tempo real do motor para o controlador de movimento G) Retrato detalhado. do controlador de movimento que mostra as quatro entradas e saídas do codificador óptico de energia para os quatro motores de bobina de voz.
Figura 2. Sistema de fixação para experimentos com células de alongamento. AB) de imagens que mostram os detalhes dos grampos utilizados para fixar o substrato de PDMS para os motores de bobina de voz para o alongamento. C) O substrato é enrolado em volta da parte cilíndrica do grampo com a sua ancoragem features sentado na ranhura na parte superior. Em seguida, o substrato é D) Ilustração da plataforma BAXS com os grampos segurando o substrato em lugar protegido usando os parafusos que empurram o substrato / ancoragem recursos para o topo groove.. A inserção mostra uma visão detalhada do substrato com células ligadas a ele sentado logo acima uma lamínula ea objetiva do microscópio.
Figura 3. Lista de materiais da membrana e o seu sistema de aperto. Desenhos mostram as dimensões das partes principais integrado para a plataforma biaxial para efectuar experiências com células de alongamento.
Figura 4. Examplo de um sistema de fixação para a avaliação da rigidez dos vasos de pequeno calibre. AB) Imagens detalhadas do sistema de fixação usado para induzir deformação de 1 mm de diâmetro rato aorta. Pinos de aço inoxidável, foram cuidadosamente moldadas em triângulos abertos para permitir que o navio para deslizar em ambos os pinos C) Ilustração da plataforma BAXS com os grampos de segurar o recipiente e uma célula de carga ligado entre o motor e fixo o grampo esquerdo.. A inserção mostra uma vista de cima e pormenorizada do recipiente montado sobre os pinos.
Protocol
Representative Results
Discussion
A plataforma BAXS aqui apresentado facilita numerosas experiências no estudo de mechanobiology, a partir de investigações de células individuais de tecidos completos. Além disso, a plataforma é altamente flexível e configurável, permitindo a numerosas experiências de estimulação mecânica e os ensaios de tracção de multi-axial. A plataforma também permite a manutenção de células e tecidos em condições fisiológicas e permite a microscopia simultânea durante as experiências de alongamento. Os dois ex…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
DT foi apoiado por uma bolsa de estudo de pós-doutorado de Le Fonds de Recherche du Québec-Nature et Technologies (FQRNT) e um MITACS Elevate Estratégico Fellowship. CMC foi apoiado por uma bolsa de estudo de pós-doutorado de le Fonds de Recherche en Santé du Québec (FRSQ) e Ernest e Margaret Ford cardiologia dotado bolsa de pesquisa da Universidade de Ottawa Heart Institute. EOB foi apoiado por subvenções de funcionamento MOP80204 do Instituto Canadense de Pesquisa em Saúde (CIHR) e T6335 da Heart and Stroke Foundation of Ontario. O CIHR e Medtronic fornecer coletivamente EOB com uma cadeira da pesquisa peer-reviewed (URC # 57093). AEP é financiado pelas Ciências Naturais e do Conselho de Pesquisa de Engenharia (NSERC) Descoberta Grant, um suplemento NSERC Discovery Accelerator e agradece o apoio dos presidentes de Pesquisa do Canadá programa (CRC) e um pesquisador Prêmio início da Província de Ontário.
Materials
| PDMS | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | The ratio base to cross-linker used in this protocol is 20:1. Mix in a laminar hood to keep dust from contamining your |
| FluoSpheres fluorescent microspheres | Invitrogen | F8810 | Keep away from light. |
| Linear voice coil | Moticont | LVCM-051-051-01 | The motro comes in two pieces (magnet and coil). It has to be mounted on a ball bearing sytem to be functional. |
| Ball bearing slide | Edmund Optics | NT37-360 | Miniature and Small Linear Motion Ball Bearing Slides |
| linear positioning stage | Edmund Optics | 38-960 | Center Drive 1.25" Square Linear Translation Stages |
| optical encoder | GSI microE systems | Mercury II 1600S – 0.5um resolution | reflective incremental encoder. |
| motion controller | Galil | DMC-2143(DIN)-DC48 with AMP-20440 | 4 axis controller with a 4 axis amplifier |
| load cell | Honeywell | 31 low | miniature load cell with a range of 0-150 g |
| Insect minutiens pins (0,20mm) | Pin Service Austerlitz Insect pins | Stainless steel pins that are bended in an opened triangle shape | |
| SU-8 2050 | Micro Chem | SU-8 2050 | Permanent epoxy negative photoresist. Keep away from heat and light |
| Air-plasma treatment system | Glowresearch | Autoglow Oxygen Plasma System | |
| Rat-tail collagen | Invitrogen | A10483-01 | Collagen I, Rat Tail 5mg/ml |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | R37605 | DNA-specific fluorescent dye. Keep in the fridge. |
| Kapton (Polyimide Film) Insulated Flexible Heaters | omega.ca | KHLV-0504/(10)-P | 28V flexible heaters; can be supplied with a 24V |
| 1/16 DIN Autotune Temperature and Process Controllers | omega.ca | CN63200-R1-LV | Temperature controller; supply 24 V. |
| DMEM culture medium | Hyclone | SH3024301 | Dulbecco’s Modified 30 Eagle Medium. Keep at 4 C |
| Penicillin-Streptomycin | Hyclone | SV30010 | Keep stock frozen. Keep working solution at 4 C. |
| Fetal bovine serum (FBS) | Hyclone | SH3039603C | Keep frozen. |
| Trypsin 0,05% | Hyclone | SH30236,02 | Keep frozen. Digestion of cell attachement proteins for subcultivation |
| Hepes | Wisent Inc | 330-050-EL | HEPES-buffered salt solution |
| NaCl | Fisher Scientific | BP358-1 | HEPES-buffered salt solution / Krebs physiological solution |
| KCl | Fisher Scientific | BP366-500 | HEPES-buffered salt solution / Krebs physiological solution |
| MgSO4 | Fisher Scientific | M65-500 | HEPES-buffered salt solution / Krebs physiological solution |
| CaCl2 | Fisher Scientific | C614-500 | HEPES-buffered salt solution / Krebs physiological solution |
| Dextrose | Fisher Scientific | BP220-1 | HEPES-buffered salt solution / Krebs physiological solution |
| NaHCO3 | Fisher Scientific | BP328-1 | Krebs physiological solution |
| KH2PO4 | Fisher Scientific | BP362-500 | Krebs physiological solution |
| Carbogen 95% O2/ 5% CO2 | Lindle | DIN:02154749 | Krebs physiological solution oxygenation |
| Nocodazole | Sigma | M1404 | Microtubules depolymerization agent |
| Cytochalasin-D | Sigma | C8273 | Actin filaments depolymerization agent |
| Anti-α-SMA-FITC | Sigma | F3777 | Used to stain and quantify smooth muscle cells content |
| Picrosirius red stain | Fluka | 43665 | Used to stain and quantify collagen content |
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