신경 문장 세포에서 기계적 신호를 연구하기 위한 최적화된 O9-1/하이드로겔 시스템
Summary
상세한 단계별 프로토콜은 다성 성 O9-1 신경 문장 세포및 다양한 강성의 폴리 아크릴아미드 하이드로겔을 사용하여 시험관 내 기계적 신호를 연구하기 위해 여기에 설명되어 있습니다.
Abstract
신경 문장 세포 (NCC)는 다양한 장기와 조직을 초래하는 세포 모형의 넓은 배열로 이동하고 분화할 수 있는 척추동물 배아 다능성 세포입니다. 조직 강성은 NCC 분화에서 중요한 역할을 하는 물리적 인 단서인 기계적 힘을 생성합니다. 그러나 메커니즘은 불분명합니다. 여기에 설명된 방법은 다양한 강성의 폴리아크릴아미드 하이드로겔의 최적화된 생성, 이러한 강성의 정확한 측정, 그리고 생체 내 를 모방하는 NCC 라인인 O9-1 셀에서 기계적 신호의 영향 평가를 위한 상세한 정보를 제공한다.
하이드로겔 강성은 원자력 현미경검사(AFM)를 사용하여 측정되었으며 그에 따라 상이한 강성 수준을 나타냈다. 다양한 강성의 하이드로겔에 배양된 O9-1 NcC는 기계적 신호 변화로 인한 다양한 생물학적 효과를 나타내는 스트레스 섬유의 세포 형태와 유전자 발현을 상이하게 나타냈다. 더욱이, 하이드로겔 강성을 변화시켜 젤 강성을 변경하고 NcC의 분자 및 유전적 규제를 분석함으로써 기계적 신호를 조작하는 효율적인 체외 계통이 발생한다는 것을 확립했습니다. O9-1 NcC는 해당 분화 매체의 영향으로 광범위한 세포 유형으로 분화할 수 있으며, 생체 내에서화학 신호를 조작하는 것이 편리하다. 따라서, 이 체외 시스템은 NNC에서 기계 신호의 역할과 화학 신호와의 상호 작용을 연구하는 강력한 도구이며, 이는 연구원이 신경 문장 발달 및 질병의 분자 및 유전 메커니즘을 더 잘 이해하는 데 도움이됩니다.
Introduction
신경 문장 세포 (NCC)는 다양한 장기및 조직의 개발에 기여하고 마이그레이션하고 기여하는 놀라운 능력을 가진 척추 동물 배아 발생 시 줄기 세포의 그룹입니다. NCC는 감각 뉴런, 연골, 뼈, 멜라닌세포 및 원활한 근육 세포를 포함한 상이한 세포 유형으로 분화할 수 있으며, 축 기원의 위치와 NCC1,2의 국소 환경 지침에 따라 분화할 수있다. 다양한 세포 유형으로 분화할 수 있는 능력으로, 신경 문장(NC) 발달단계에서 난독증을 유발하는 유전적 이상이 수많은 선천성 질환으로 이어질 수있다 2. 예를 들어, NcC의 형성, 이동 및 발달 중 의 혼란은 신경근증증1,3로통칭되는 발달 장애로 이어진다. 이러한 질병은 트리처 콜린스 증후군과 같은 NCC 형성의 실패로 인한 두개골 면결에서 부터 흑색종3,4,5,6에서볼 수 있듯이 NCC 전이성 철새 능력으로 인한 다양한 암의 발달에 이르기까지 다양하다. 지난 수십 년 동안, 연구원은 개발 및 질병에 있는 NcC의 역할 그리고 기계장치에 관하여 현저한 발견을 했습니다, 사실 인정의 대다수는 화학신호에집중되고 있는7,8. 최근에는 NCC 개발9,10에서기계적 신호가 중요하지만 제대로 이해되지 않은 역할을 하도록 지시되었습니다.
NCC의 환경 단서는 다양한 세포 유형으로 NCC 분화의 규제를 포함하여 개발 중에 중요한 역할을합니다. 환경 단서, 예를 들어, 물리적 단서, 기능 적 다양화와 같은 중추적 인 행동 및 세포 반응에 영향을 미칩니다. 메카노트랜스듀션은 세포가 다양한 생물학적 과정을 유지하기 위해 이러한 단서를 감지하고 반응할 수있도록 2. NCC는 세포외 매트릭스(ECM)와 같은 주변 세포 및 상이한 기판에 둘러싸여 있어 항상성을 유지하고 운명 결정, 증식 및 세포멸을 통해 변화에 적응하기 위해 기계적 자극을 야기할 수있다. 메카노트랜스듀션은 기계적 세포외 자극의 감각 성분이 발생하는 플라즈마 멤브레인에서 시작하여세포(12)의세포내 조절을 초래한다. 플라즈마 멤브레인의 통합, 초점 접착 및 접합부는 전단력, 응력 및 주변 기판의 강성과 같은 기계적 신호를 화학 신호로 전달하여 세포반응(12)을생성한다. 플라즈마 멤브레인에서 최종 세포 조절에 이르는 화학 신호의 릴레이는 분화와 같은 유기체에 대한 중요한 프로세스를 마무리하기 위해 상이한 신호 경로를 통해 수행됩니다.
몇몇 연구 결과는 기질 강성에서 기계신호가 세포 분화13,14에있는 역할을 한다는 것을 건의했습니다. 예를 들어, 이전 연구는 뇌 조직의 강성과 연약한 기판에서 자란 중간엽 줄기 세포(MSC)가 뇌 조직(0.1-1.0 kPa 범위)과 유사한 강성을 가진 것으로 나타났으며, 그 결과 뉴런 세포분화(15,16)가발생한것으로 나타났다. 그러나, 더 많은 MSC는 근육의 강성을 모방8-17 kPa 기판에 성장할 때 근구와 같은 세포로 분화하고, MSC가 뻣뻣한 기판 (25-40 kPa)에 배양될 때 골세포와 같은 분화를 관찰하였다15,16. 메카노트랜스덕션의 중요성은 잠재적으로 암, 심혈관 질환 및골다공증17,18,19를포함한 심각한 발달 결함 및 질병으로 이어질 수 있는 기계적 신호 경로의 요철 및 이상에 의해 강조된다. 암에서는 정상적인 유방 조직이 연약하며 유방암의 위험은 뻣뻣하고 조밀한 유방 조직에서 증가하며, 유방 종양에 더 유사한환경(15). 이러한 지식을 바탕으로 NCC 발달에 대한 기계적 신호의 효과는 체외 시스템을 통해 기질 강성의 간단한 조작을 통해 연구될 수 있으며, NC 관련 질병 진행 및 병인학의 기초를 이해하는 데 있어 추가적인 이점과 가능성을 제공한다.
NcC에서 기계 신호의 영향을 연구하기 위해, 우리는 이전에 발표 된 방법의 최적화및 다른 기계적신호20,21에대한 NcC의 응답의 평가를 기반으로 NcC에 대한 효율적인 시험관 시스템을 설립했다. 다양한 하이드로겔 강성 제제 및 NNC에서 의 기계적 신호의 영향에 대한 평가를 위한 상세한 프로토콜이 제공되었습니다. 이를 위해 O9-1 NCC는 NC 모델로 활용되어 경직대 소프트 하이드로겔에 대한 반응으로 효과와 변화를 연구한다. O9-1 NCC는 8.5일째에 마우스 배아(E)로부터 분리된 안정적인 NC 세포주이다. O9-1 NcC는 정의된 분화매체(22)에서다양한 NC 유래 세포 유형으로 분화할 수 있기 때문에 생체 내에서 NcC를 모방한다. NcC의 기계적 신호를 연구하기 위해, 매트릭스 기판은 생물학적기질 강성(20,21,23)과상관관계가 있는 원하는 강성을 달성하기 위해 아크릴아미드및 비스 아크릴아미드 용액의 다양한 농도로부터 튜닝 가능한 탄성으로 제조되었다. NcC, 특히 O9-1 셀에 대한 매트릭스 기판의 조건을 최적화하기 위해 이전에 게시된프로토콜(20)에서수정하였다. 이 프로토콜에서 한 가지 변화는 콜라겐 I에서 하이드로겔을 배양하는 것이었는데, 50m HEPES 대신 0.2% 아세트산으로 희석되어 하룻밤 사이에 37°C에서 이루어졌다. 아세트산의 낮은 pH는 균일한 분포와 더 높은 콜라겐 I 통합으로 이어지므로 ECM단백질(24)의보다 균일한 부착을 가능하게 한다. 또한, 말 혈청과 태아소 혈청(FBS)의 조합은 인큐베이터에 하이드로겔을 저장하기 전에 인산염 완충식염수(PBS)에서 각각 10% 및 5%의 농도에서 사용되었다. 말 혈청은 10%25의농도에서 세포 증식 및 분화를 촉진하는 능력으로 인해 FBS에 대한 추가 보충제로 사용되었다.
이 방법으로, 생물학적 환경은 ECM 단백질 코팅(예를 들어, 콜라겐 I)에 의해 모방되어NcC가 20,21로성장하고 생존할 수 있는 정확한 체외 환경을 조성하였다. 준비된 하이드로겔의 강성은 탄성 계수를 묘사하는 잘 알려진 기술인 원자력 현미경검사(AFM)를통해 정량적으로 분석되었다. NcC에 대한 상이한 강성 수준의 효과를 연구하기 위해 야생형 O9-1 세포는 기판 강성의 변화에 대응하여 세포 접착및 형태학의 차이를 보여주기 위해 면역형 형광(IF)을 위한 하이드로겔에 배양및 제조되었다. 이 체외 시스템을 활용하여 연구자들은 NcC에서 기계 신호의 역할과 다른 화학 신호와의 상호 작용을 연구하여 NcC와 기계 신호 사이의 관계를 더 깊이 이해할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
현재 연구의 목표는 NNC에서 기계적 신호의 영향을 더 잘 이해하기 위해 효과적이고 효율적인 체외 시스템을 제공하는 것입니다. 위에서 언급한 단계별 프로토콜을 따르는 것 외에도, 연구자들은 O9-1 NcC의 세포 배양이 하이드로겔을 준비하는 데 사용되는 유리 커버립의 유형에 의해 영향을 받는다는 것을 명심해야 합니다. 예를 들어, 특정 유형의 유리 커버슬립(재료 표 참조)에 시드된 세포…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 이 프로젝트에서 AFM에 기여한 전문 지식을 위해 텍사스 대학 건강 과학 센터의 원자력 현미경-UT 코어 시설의 운영자인 아나 마리아 자스케 박사에게 감사드립니다. 우리는 또한 건강의 국가 학회 (K01DE026561, R03DE025873, R01DE029014, R56HL142704, 및 R01HL142704에서 J. Wang)의 자금 출처에 감사드립니다.
Materials
| 12 mm #1 Corning 0211 Glass Coverslip | Chemglass Life Sciences | CLS-1763-012 | |
| 2% Bis-Acrylamide | Sigma Aldrich | M1533 | |
| 24-well plate | Greiner Bio-one | 662165 | |
| 25 mm #1 Corning 0211 Glass Coverslip | Chemglass Life Sciences | CLS-1763-025 | |
| 3-aminopropyl triethoxysilane (APTS) | Sigma Aldrich | A3648 | |
| 4-well cell culture plate | Thermo Scientific | 179830 | |
| 4% Paraformaldehyde | Sigma Aldrich | J61899-AP | |
| 40% Acrylamide | Sigma Aldrich | A4058 | |
| 50% glutaraldehyde | Sigma Aldrich | G7651 | |
| 6-well cell culture plate | Greiner Bio-one | 657160 | |
| AFM cantilever (spherical bead) | Novascan | ||
| AFM software | Catalyst NanoScope | Model: 8.15 SR3R1 | |
| Alexa Fluor 488 Phalloidin | Thermo Fisher | A12379 | |
| Ammonium Persulfate (APS) | Sigma Aldrich | 248614 | Powder |
| anti-AP-2α Antibody | Santa Cruz | sc-12726 | |
| anti-Vinculin antibody | Abcam | ab129002 | |
| Atomic Force Microscopy (AFM) Bioscope Catalyst | Bruker Corporation | ||
| Collagen type I (100mg) | Corning | 354236 | |
| DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride) | Thermo Fisher | D1306 | |
| Dichloromethylsilane (DCMS) | Sigma Aldrich | 440272 | |
| Donkey serum | Sigma Aldrich | D9663 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Corning | 10-017-CV | |
| Fetal bovine serum (FBS) | Corning | 35-010-CV | |
| Fluorescence microscope | Leica | Model DMi8 | |
| Fluoromount-G mounting medium | SouthernBiotech | 0100-35 | |
| HEPES | Sigma Aldrich | H3375 | Powder |
| Horse serum | Corning | 35-030-CI | |
| iScript Reverse Transcription Supermix | Bio-Rad | 1708841 | |
| Penicillin-Streptomycin antibiotic | Thermo Fisher | 15140148 | |
| RNeasy micro kit | Qiagen | 74004 | |
| Sterile 1x PBS | Hyclone | SH30256.02 | |
| Sterile deionized water | Hardy Diagnostics | U284 | |
| sulfo-SANPAH | Thermo Fisher | 22589 | |
| SYBR green | Applied Biosystems | 4472908 | |
| TEMED | Sigma Aldrich | T9281 | |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | X100 | |
| Tween 20 | Sigma Aldrich | P9416 |
Riferimenti
- Mehrotra, P., Tseropoulos, G., Bronner, M. E., Andreadis, S. T. Adult tissue-derived neural crest-like stem cells: Sources, regulatory networks, and translational potential. Stem Cells Translational Medicine. 9 (3), 328-341 (2020).
- Liu, J. A., Cheung, M. Neural crest stem cells and their potential therapeutic applications. Biologia dello sviluppo. 419 (2), 199-216 (2016).
- Watt, K. E. N., Trainor, P. A., Trainor, P. A. Neurocristopathies: the etiology and pathogenesis of disorders arising from defects in neural crest cell development. Neural Crest Cells-Evolution, Development and Disease. , 361-394 (2014).
- Lavelle, C. L. B. . Applied oral physiology. , (1988).
- Chin, L. The genetics of malignant melanoma: lessons from mouse and man. Nature Reviews Cancer. 3 (8), 559-570 (2003).
- Hindley, C. J., et al. The Hippo pathway member YAP enhances human neural crest cell fate and migration. Scientific Reports. 6 (1), 1-9 (2016).
- Wang, Q., et al. Perturbed development of cranial neural crest cells in association with reduced sonic hedgehog signaling underlies the pathogenesis of retinoic-acid-induced cleft palate. Disease Models & Mechanisms. 12 (10), (2019).
- Rocha, M., Singh, N., Ahsan, K., Beiriger, A., Prince, V. E. Neural crest development: insights from the zebrafish. Developmental Dynamics. 249 (1), 88-111 (2020).
- Barriga, E. H., Franze, K., Charras, G., Mayor, R. Tissue stiffening coordinates morphogenesis by triggering collective cell migration in vivo. Nature. 554 (7693), 523-527 (2018).
- Weber, G. F., Bjerke, M. A., DeSimone, D. W. A mechanoresponsive cadherin-keratin complex directs polarized protrusive behavior and collective cell migration. Developmental Cell. 22 (1), 104-115 (2012).
- Mason, D. E., et al. YAP and TAZ limit cytoskeletal and focal adhesion maturation to enable persistent cell motility. Journal of Cell Biology. 218 (4), 1369-1389 (2019).
- Dupont, S., et al. Role of YAP/TAZ in mechanotransduction. Nature. 474 (7350), 179-183 (2011).
- Lu, Y. -. B., et al. Viscoelastic properties of individual glial cells and neurons in the CNS. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (47), 17759-17764 (2006).
- Georges, P. C., Miller, W. J., Meaney, D. F., Sawyer, E. S., Janmey, P. A. Matrices with compliance comparable to that of brain tissue select neuronal over glial growth in mixed cortical cultures. Biophysical Journal. 90 (8), 3012-3018 (2006).
- Janmey, P. A., Miller, R. T. Mechanisms of mechanical signaling in development and disease. Journal of Cell Science. 124 (1), 9-18 (2011).
- Engler, A., Sweeney, H., Discher, D., Schwarzbauer, J. E. Extracellular matrix elasticity directs stem cell differentiation. Journal of Musculoskeletal and Neuronal Interactions. 7 (4), 335 (2007).
- Paszek, M. J., et al. Tensional homeostasis and the malignant phenotype. Cancer Cell. 8 (3), 241-254 (2005).
- Engler, A. J., et al. Embryonic cardiomyocytes beat best on a matrix with heart-like elasticity: scar-like rigidity inhibits beating. Journal of Cell Science. 121 (22), 3794-3802 (2008).
- Robling, A. G., Turner, C. H. Mechanical signaling for bone modeling and remodeling. Critical Reviews in Eukaryotic Gene Expression. 19 (4), 319-338 (2009).
- Tse, J. R., Engler, A. J. Preparation of hydrogel substrates with tunable mechanical properties. Current Protocols in Cell Biology. , (2010).
- Cretu, A., Castagnino, P., Assoian, R. Studying the effects of matrix stiffness on cellular function using acrylamide-based hydrogels. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (42), e2089 (2010).
- Ishii, M., et al. A stable cranial neural crest cell line from mouse. Stem Cells and Development. 21 (17), 3069-3080 (2012).
- Engler, A., et al. Substrate compliance versus ligand density in cell on gel responses. Biophysical Journal. 86 (1), 617-628 (2004).
- Stanton, A. E., Tong, X., Yang, F. Varying solvent type modulates collagen coating and stem cell mechanotransduction on hydrogel substrates. APL Bioengineering. 3 (3), 036108 (2019).
- Fedoroff, S., Hall, C. Effect of horse serum on neural cell differentiation in tissue culture. In vitro. 15 (8), 641-648 (1979).
- Huth, S., Sindt, S., Selhuber-Unkel, C. Automated analysis of soft hydrogel microindentation: Impact of various indentation parameters on the measurement of Young’s modulus. PLoS One. 14 (8), 0220281 (2019).
- Mitchell, P. J., Timmons, P. M., Hébert, J. M., Rigby, P., Tjian, R. Transcription factor AP-2 is expressed in neural crest cell lineages during mouse embryogenesis. Genes & Development. 5 (1), 105-119 (1991).
- Wegner, M. Neural crest diversification and specification: transcriptional control of Schwann Cell differentiation. Encyclopedia of Neuroscience. , 153-158 (2010).
- Park, J. S., et al. The effect of matrix stiffness on the differentiation of mesenchymal stem cells in response to TGF-β. Biomaterials. 32 (16), 3921-3930 (2011).
- Sun, M., et al. Effects of matrix stiffness on the morphology, adhesion, proliferation and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. International Journal of Medical Sciences. 15 (3), 257 (2018).
- Burridge, K., Guilluy, C. Focal adhesions, stress fibers and mechanical tension. Experimental Cell Research. 343 (1), 14-20 (2016).
- Burridge, K. Focal adhesions: a personal perspective on a half century of progress. The FEBS Journal. 284 (20), 3355-3361 (2017).
- Zhou, C., et al. Compliant substratum modulates vinculin expression in focal adhesion plaques in skeletal cells. International Journal of Oral Science. 11 (2), 1-9 (2019).
- Fernández, J. L. R., Geiger, B., Salomon, D., Ben-Ze’ev, A. Overexpression of vinculin suppresses cell motility in BALB/c 3T3 cells. Cell Motility and the Cytoskeleton. 22 (2), 127-134 (1992).
- Coll, J., et al. Targeted disruption of vinculin genes in F9 and embryonic stem cells changes cell morphology, adhesion, and locomotion. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 92 (20), 9161-9165 (1995).
- Saunders, R. M., et al. Role of vinculin in regulating focal adhesion turnover. European Journal of Cell Biology. 85 (6), 487-500 (2006).
- Kuo, J. -. C. Focal adhesions function as a mechanosensor. Progress in Molecular Biology and Translational Science. 126, 55-73 (2014).
- Nguyen, B. H., Ishii, M., Maxson, R. E., Wang, J. Culturing and manipulation of O9-1 neural crest cells. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (140), e58346 (2018).
- Kolewe, K. W., Zhu, J., Mako, N. R., Nonnenmann, S. S., Schiffman, J. D. Bacterial adhesion is affected by the thickness and stiffness of poly (ethylene glycol) hydrogels. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (3), 2275-2281 (2018).
- Lin, Y. -. C., et al. Mechanosensing of substrate thickness. Physical Review E. 82 (4), 041918 (2010).
- Mullen, C. A., Vaughan, T. J., Billiar, K. L., McNamara, L. M. The effect of substrate stiffness, thickness, and cross-linking density on osteogenic cell behavior. Biophysical Journal. 108 (7), 1604-1612 (2015).
- Tusan, C. G., et al. Collective cell behavior in mechanosensing of substrate thickness. Biophysical Journal. 114 (11), 2743-2755 (2018).
- McBurney, M. W., Jones-Villeneuve, E. M., Edwards, M. K., Anderson, P. J. Control of muscle and neuronal differentiation in a cultured embryonal carcinoma cell line. Nature. 299 (5879), 165-167 (1982).
- Hasegawa, A., Shirayoshi, Y. P19 cells overexpressing Lhx1 differentiate into the definitive endoderm by recapitulating an embryonic developmental pathway. Yonago Acta Medica. 58 (1), 15 (2015).
- Wells, R. G. Tissue mechanics and fibrosis. Biochimica et Biophysica Acta. 1832 (7), 884-890 (2013).
- Gavara, N. A beginner’s guide to atomic force microscopy probing for cell mechanics. Microscopy Research and Technique. 80 (1), 75-84 (2017).
- Butler, J. P., Tolic-Nørrelykke, I. M., Fabry, B., Fredberg, J. J. Traction fields, moments, and strain energy that cells exert on their surroundings. American Journal of Physiology. Cell Physiology. 282 (3), 595-605 (2002).
- Leong, W. S., et al. Thickness sensing of hMSCs on collagen gel directs stem cell fate. Biochemical and Biophysical Research Communications. 401 (2), 287-292 (2010).
- Caliari, S. R., Burdick, J. A. A practical guide to hydrogels for cell culture. Nature Methods. 13 (5), 405-414 (2016).
- Funaki, M., Janmey, P. A. Technologies to engineer cell substrate mechanics in hydrogels. Biology and Engineering of Stem Cell Niches. , 363-373 (2017).
