AFM ve Zebra balığı embriyo sarısı hücre Microrheology
Summary
Malzeme özellikleri ve tensional parametreleri içinde vivo ölçmek için Araçlar eksikliği onların rolleri geliştirme sırasında doğrulama engeller. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve mekanik özellikleri bozulmamış Zebra balığı embriyo sarısı cep epiboly sırasında ölçmek için nanopartikül izleme çalıştırmaya başladık. Bu, güvenilir ve yaygın olarak uygulanabilir müdahaleci müdahaleler kaçınarak yöntemlerdir.
Abstract
Dokularda gelişen spatio-temporal organizasyon doğrudan faktörler elucidating birincil amacı kalkınma insan biridir. Çeşitli önermeler hücre ve dokuların farklı gelişim ve morfogenetik süreçlerde kronolojik zamanmekansal kuruluşlarındaki mekanik özelliklerinin anlayış önemli katkıları olmuştur iddiasında. Ancak, malzeme özellikleri ve tensional parametreleri içinde vivoölçmek için güvenilir ve erişilebilir araçları eksikliği nedeniyle, bu hipotez doğrulayarak zor olmuştur. Burada istihdam Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve parçacık sağlam Zebra balığı embriyo sarısı hücresinin mekanik özelliklerini epiboly sırasında miktarının amacı ile izleme yöntemleri mevcut. Epiboly olan çalışma embriyo şeffaflık tarafından yönetilir bir erken korunmuş gelişimsel bir süreçtir. Doku mekaniği etkileyebilecek müdahaleci müdahaleler üstesinden gelmek bu yana bu yöntemleri uygulamak basit, güvenilir ve yaygın olarak uygulanabilir. Basit ve bir strateji montaj örnekleri, AFM kayıt ve nanoparçacık enjeksiyonları ve izleme için uygulandı. Bu yaklaşım diğer gelişimsel kez veya organizmalar bu yöntemler kolayca uyarlanabilir yapar.
Introduction
Morfogenetik süreçleri biyomekanik kontrolünü altta yatan fiziksel ilkeleri büyük ölçüde tanımsızdır. Biyomekanik çalışmalar moleküler ve hücresel düzeyde önemli ivme toplanıyor, doku/organizma düzeyinde biyomekanik parametreleri keşfi onun bebeklik iken. Hidrodinamik regresyon1 veya Video kuvvet mikroskobu2 araştırmacılar lazer mikrocerrahi3veya daha az müdahaleci Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) Disosiye hücreleri4 aktif ve pasif Kuvvetleri ayırt etmek için izin ver veya vivo 5 veya nanopartikül microrheology6 mendil’ın mekanik özellikleri ve yanıtları beklentisiyle izin verir.
AFM yüzey pürüzlülüğü ve konsol ipuçları temas üzerine saptırma uyum Problu yüzey7ile çözme atomik yüksek çözünürlüklü üç boyutlu topografik bir tekniktir. AFM istihdam farklı yöntemleri yüzey özellikleri, sürtünme, yapışma kuvvetleri ve çeşitli malzemelerin visko elastik özellikleri ölçme de dahil olmak üzere araştırma için geliştirilmiştir. Son zamanlarda, AFM biyolojik örneklerin mekanik özellikleri hakkında bilgi almak için güçlü bir araç olarak ortaya çıkmıştır. Özellikle, AFM non-invaziv karmaşık kesme modülü tek hücreleri ile bilinen bükme sürekli8konsol için bağlı bir mikro uç salınım girintili yazımları uygulayarak ayıklayabilirsiniz. Bu ortaya çıkan Kuvvetleri sonucuna izin veriyor. Henüz, ve farklı yöntemleri izin rheological veri ve mekanik özellikleri tek tek hücreleri ayıklama AFM benzersiz değildir (Örneğin, Micropipette aspirasyon9, manyetik sitometresi (MTC)10büküm veya uniaxial çekme dayanımı «««test)11.
Henüz, bu roman metodolojileri uygulamaya karmaşık morfogenetik işlemleri basit değildir. Yumuşak küçük (µm mm), embriyonik dokuların mekanik özelliklerini belirlerken karşı karşıya ana sorunlar nelerdir (102 – 104 Pa aralığı) ve malzeme12doğası visko-elastik (Saat-bağımlı olayları veren artış). Bu nedenle mekanik özellikleri (sertlik, viskozite, yapışma) belirlenmesi için embriyo ve gelişmekte olan organizmalar belirli durumunda istihdam yöntemleri uyum önemlidir. İki önemli konu göz önüne geliştirme çalışmaya rheological yaklaşımlar analiz ederken alınması gerekir: müdahaleci bir girişimi engellemek için ve kolay erişilebilirlik sağlamak için. Bu senaryoda, micropipette aspirasyon, MTC ve gerilme test sınırlamalar sergi. İlk durumda, bir hücrenin muzdarip yüksek deformasyon onun fizyolojik ve mekanik özellikleri9değiştirebilir. İkinci durumda, sıkıca uygulanan stresleri sitoiskeleti yerel olarak deforme emin olmak için bir substrat için deneysel doku uygun gerek Ayrıca etkileri hücre harekete geçirmek durum ve, dolayısıyla, onların mekanik özellikleri10 tanıştırır mısın . Son, uniaxial gerilme yaklaşımlar gelişmekte olan organizmalar ve erişilebilirlik11geometri tarafından sınırlıdır.
AFM doğal çevrenin hantal örnek herhangi bir hazırlık yapmadan doğrudan içinde biyolojik örnekler incelenmesi verdiğinden daha iyi gelişim süreçleri çalışma için uygun görünüyor. Ayrılma embriyonik dokuların genellikle zor olduğu için Ayrıca, AFM probları indirimli boyutu sınırlama olmaksızın orta (sulu veya sulu olmayan), örnek ısı veya kimyasal türünü seçiminde çok yönlü yüksek derecede sağlar kompozisyon örnek. AFM büyük etki alanlarına uygulanması ve ölçekler saat için çok yönlü ve farklı gelişim aşamalarında veya fizyolojik şartlarda dokuların malzeme özelliklerini almak için istihdam edilmiştir. Bütün yerel doku arterler13 ya da kemik14 topografik açıdan ve bazı durumlarda, sklera gibi okudu gibi mekanik özellikleri de erişim tarihi15olmuştur. Topografya ayrıca canlı embriyolar Xenopus16görselleştirme, örneğin, hücre düzenlenmesi sırasında morfogenez izin içinde keşfedilmeyi. En son ve kapsamlı örnek hazırlama protokoller farklı gelişim sürecinde mekanik parametreler belirlemek için geliştirilmiştir. Nanoindentation haritalar yerel sabitlenmemiş doku bölümlerinde piliç embriyonik sindirim sistemi11için oluşturulan; gastrulating Zebra balığı embriyo4den izole tek tek ektoderm, mesoderm ve endoderm progenitör hücreler için alınan ya da mekanik özellikleri; sertlik ölçümleri epiblast ve ilkel çizgi explants üzerinde kuş embriyo17için gerçekleştirilen; ve sertlik degradeleri doğrudan Xenopus5embriyonik beyinde tanımlanan farklı bir desen.
AFM embriyonik gelişim keşfetmek için uygulamak için önemli bir nitel sıçrama basit erişilebilir morfogenetik süreçleri yaklaşan gelebilir. Zebra balığı epiboly içinde sınırlı bir küresel alanda blastoderm genişleme birkaç saat içinde doğrudan farklı dokuların koordine bir temel ve korunmuş, olaydır. Zebra balığı epiboly (küresel sahne) başlangıcında, hücreleri, zarflama Katmanı (EVL), yüzeysel tabakası hayvan pole büyük sarısı sinsisyal cepten oturan embriyo merkezli blastomeres yarı küresel bir kap kapsar. Epiboly EVL, kortikal bitkisel ward genişlemesi derin hücreleri (DCs) blastoderm ve sarısının etrafında sinsisyal sarısı hücre (E-YSL) dış tabakası oluşur. Epiboly EVL ve DCs bitkisel pole18,19,20kapatılması ile sona erer. Nasıl ve nerede Kuvvetleri epiboly sırasında oluşturulur ve nasıl genel olarak birleştiğinde değil henüz1,21açıktır.
Burada ayrıntılı olarak nasıl pasif mekanik doku özellikleri Zebra balığı sarısı ilerlemesinde epiboly sırasında in vivohücre anlaması için AFM uygulanacağını açıklar. Bunu yapmak için küçük mikroküreler probları gibi AFM cantilevers bağlı çalıştırmaya başladık. Bu kesin yerel bilgi üniform olmayan sarısı hücre yüzeyine içinde ve tensional gradyanlar ve onların dynamics zaman içinde çalışmaya alınmasını sağlar. Alternatif AFM kama cantilevers22kullananların gibi yaklaşımlar, değil yeterince kesin yerel veri render olacaktır. Konsol sonundaki örnek boyutundan daha büyük bir kama yapıştırmak için çok dikkatli işleme beceri gerektirir, kama tekniği iyi embriyo problama için uygun değildir (~ konsol uzunluğu daha büyük 2’ye katlanmış) mekaniği.
Modelleme ve nitel ve nicel bir şekilde hücreleri visko elastik özelliklerini karakterize geliştirilmiş onların biyomekanik için anlayabileceksiniz. Biyomekanik açıdan epiboly ve kortikal gerilim ölçümleri ve AFM tarafından çıkarılan dynamics, sadece talep bilgi anlamak önemlidir; Böylece doku biyofiziksel özellikleri hakkında bilgi için gerek yoktur. Bu bilgileri ayıklamak için çeşitli hücre Reolojisi teknikler geliştirilmiştir yıllar içinde farklı hücre türleri farklı fizyolojik şartlarda23altında karakterize için. AFM, MTC ve optik cımbız (OT) içerir. Bu yöntemler, ancak, embriyo veya organları ölçekte mezoskopik analizleri için yetersiz kanıtlanmıştır. Alternatif olarak, başarıyla nanopartikül izleme microrheology6 in vivo rheological ölçümler için adapte edilmiştir. Bu teknik bireysel parçacıkların Brown talebiyle analiz eder ve yerel micromechanical özelliklerini tanır.
Birlikte AFM ve nanoparçacık microrheology epiboly sırasında kortikal tensional dynamics tanımı ve yumurtalı iç mekanik özellikleri sağlar. Bu bilgiler tamamen Anizotropik stres EVL deformasyon yanıt farklılıkları bir sonucu olarak gelişir ve E-YSL korteks izotropik actomyosin daralma için sarısı sitoplazmik Katmanı (GKB) için gerekli bir model onayladığı EVL ve epiboly ilerleme1yönlü net hareketi.
Protocol
Representative Results
Discussion
İşte malzeme özellikleri ve Zebra balığı sarısı hücre epiboly sırasında bazı biyomekanik parametreleri kolayca AFM ve nano tanecikleri microrheology tarafından tahmin edilebilir olduğunu göstermektedir.
AFM hücre ve dokularda fizyolojik şartlarda4,5,25,28rheological özelliklerini almak için ediyor sağlam geliştirmek için AFM uygulamak için bir …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Biz Amayra Hernández-Vega ve Philippe-Alexandre Pouille bu protokoller için temel ayarlamak için katıldığınız için teşekkür ederiz. Ayrıca moleküler görüntüleme platformu IBMB-PCB, Xavier Esteban ve üyeleri, laboratuvar sürekli destek için teşekkür ederiz. Generalitat de Catalunya ve DGI ve Ekonomi Bakanlığı ve günümüzde İspanya’dan gelen Consolider hibe EMB ve DN konsolide grupları programı bu çalışmaları destekledi.
Materials
| Inverted optical microscope | Nikon | TE2000 | Visualization of the sample and AFM cantilever |
| Atomic force microscope (AFM) | Custom made | – | Any commercialized AFM could be employed |
| Inverted Confocal microscope | Zeiss | LSM780 | Nanorheology data collection |
| Agarose D1 Low EEO | Conda | 8016.00 | Casting embryos |
| Ultrapure LMP Agarose (low melting) | Invitrogen | 16520-100 | Securing embryos |
| Zebrafish Microinjection and Transplantation Molds | World Precision Instruments | Z-MOLDS | Casting embryos. Custom made with the original dimensions can also be employed |
| Dumont 5 Forceps | FST | 11251-20 | 1.5 mm diameter |
| Si3N4 cantilever | Novascan | PT.GS | Measuring the embryo by AFM. Spherical tip: 4.5 µm diameter and k=0.01 N/m |
| Fluorescent nanoparticles | Life Technologies | FluoSpheres F8811, | For tracking nanorheology |
| Micropipette puller | Sutter Instruments | P-2000 | Fabricating tailored microneedles |
| Borosilicate capillary glass | Warner Instruments | G100TF-4 | Fabricating tailored microneedles |
| Micromanipulator | Narishige | MN-153 | Manipulating the micropipette |
| Microinjector | Eppendorf | FemtoJet Express | Controlling injection time and pressure |
| Stereomicroscope | Leica | DFC365FX | Visualization of the embryos during injection |
| Analysis Software | MathWorks | Matlab | Analyzing AFM and particle tracking data |
| Zebrafish | AB and TL wild type | – | Strains employed for embryo collection |
| Glass Bottom Plates | Mat Tek | P35G-0.170-14-C | Mounting embryos for nanorheology data collection |
| Stage micrometer | FST | 29025-02 |
References
- Hernandez-Vega, A., et al. Polarized cortical tension drives zebrafish epiboly movements. EMBO J. 36, 25-41 (2017).
- Brodland, G. W., et al. Video force microscopy reveals the mechanics of ventral furrow invagination in Drosophila. Proc Natl Acad Sci U S A. 107, 22111-22116 (2010).
- Grill, S. W. Growing up is stressful: biophysical laws of morphogenesis. Curr Opin Genet Dev. 21, 647-652 (2011).
- Krieg, M., et al. Tensile forces govern germ-layer organization in zebrafish. Nat Cell Biol. 10, 429-436 (2008).
- Koser, D. E., et al. Mechanosensing is critical for axon growth in the developing brain. Nat Neurosci. 19, 1592-1598 (2016).
- Wirtz, D. Particle-tracking microrheology of living cells: principles and applications. Annu Rev Biophys. 38, 301-326 (2009).
- de Pablo, P. J., Carrión-Vázquez, M. Imaging Biological Samples with Atomic Force Microscopy. Cold Spring Harbor Protocols. 2014, 167-177 (2014).
- Roca-Cusachs, P., et al. Rheology of passive and adhesion-activated neutrophils probed by atomic force microscopy. Biophys J. 91, 3508-3518 (2006).
- Evans, E., Yeung, A. Apparent viscosity and cortical tension of blood granulocytes determined by micropipet aspiration. Biophys J. 56, 151-160 (1989).
- Fabry, B., et al. Time scale and other invariants of integrative mechanical behavior in living cells. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys. 68, 041914 (2003).
- Kashef, J., Franz, C. M. Quantitative methods for analyzing cell-cell adhesion in development. Dev Biol. 401, 165-174 (2015).
- Chevalier, N. R., et al. Measuring the micromechanical properties of embryonic tissues. Methods. 94, 120-128 (2016).
- Reichlin, T., et al. Investigating native coronary artery endothelium in situ and in cell culture by scanning force microscopy. J Struct Biol. 152, 52-63 (2005).
- Rho, J. Y., Tsui, T. Y., Pharr, G. M. Elastic properties of osteon and trabecular bone measured by nanoindentation. J Biomech. 31, 21 (1998).
- Grant, C. A., et al. Surface characterisation and biomechanical analysis of the sclera by atomic force microscopy. J Mech Behav Biomed Mat. 4, 535-540 (2011).
- Efremov, Y. M., et al. Atomic force microscopy of living and fixed Xenopus laevis embryos. Micron. 42, 840-852 (2011).
- Henkels, J., et al. Spatiotemporal Mechanical Variation Reveals Critical Role for Rho Kinase During Primitive Streak Morphogenesis. Ann Biomed Eng. 41, 421-432 (2013).
- Solnica-Krezel, L. Gastrulation in zebrafish — all just about adhesion?. Curr Opin Genet Dev. 16, 433-441 (2006).
- Kimmel, C. B., et al. Stages of embryonic development of the zebrafish. Dev Dyn. 203, 253-310 (1995).
- Rohde, L. A., Heisenberg, C. P. Zebrafish gastrulation: cell movements, signals, and mechanisms. Int Rev Cytol. 261, 159-192 (2007).
- Campinho, P., et al. Tension-oriented cell divisions limit anisotropic tissue tension in epithelial spreading during zebrafish epiboly. Nat Cell Biol. 15, 1405-1414 (2013).
- Fischer-Friedrich, E., et al. Quantification of surface tension and internal pressure generated by single mitotic cells. Sci Rep. 4, 6213 (2014).
- Moeendarbary, E., Harris, A. R. Cell mechanics: principles, practices, and prospects. Wiley Interdiscip Rev Syst Biol Med. 6, 371-388 (2014).
- Westerfield, M. . The Zebrafish Book: A Guide for the Laboratory Use of Zebrafish (Danio rerio). , (2000).
- Alcaraz, J., et al. Microrheology of human lung epithelial cells measured by atomic force microscopy. Biophys J. 84, 2071-2079 (2003).
- Jorba, I., et al. Probing Micromechanical Properties of the Extracellular Matrix of Soft Tissues by Atomic Force Microscopy. J Cell Physiol. 232, 19-26 (2017).
- Hutter, J. L., Bechhoefer, J. Calibration of atomic-force microscope tips. Review of Scientific Instruments. 64, 1868-1873 (1993).
- Lomakina, E. B., et al. Rheological analysis and measurement of neutrophil indentation. Biophys J. 87, 4246-4258 (2004).
- Alcaraz, J., et al. Correction of Microrheological Measurements of Soft Samples with Atomic Force Microscopy for the Hydrodynamic Drag on the Cantilever. Langmuir. 18, 716-721 (2002).
- Daniels, B. R., Masi, B. C., Wirtz, D. Probing single-cell micromechanics in vivo: the microrheology of C. elegans developing embryos. Biophys J. 90, 4712-4719 (2006).
- Kalwarczyk, T., et al. Comparative analysis of viscosity of complex liquids and cytoplasm of mammalian cells at the nanoscale. Nano Lett. 11, 2157-2163 (2011).
- Soroldoni, D., et al. Genetic oscillations. A Doppler effect in embryonic pattern formation. Science. 345, 222-225 (2014).
- He, B., et al. Apical constriction drives tissue-scale hydrodynamic flow to mediate cell elongation. Nature. 508, 392-396 (2014).
- Johansen, P. L., et al. Optical micromanipulation of nanoparticles and cells inside living zebrafish. Nat Commun. 7, 10974 (2016).
