Concentric Sistema Gel per studiare il ruolo biofisica di Matrix Microenvironment sulla migrazione Cell 3D
Summary
Le proprietà meccaniche e microstruttura della matrice extracellulare influenzano fortemente la migrazione delle cellule 3D. Un metodo in vitro per studiare il comportamento di migrazione delle cellule spazio-temporale in ambienti biofisico variabili, sia a livello della popolazione e delle singole celle, è descritto.
Abstract
La capacità delle cellule di migrare è cruciale in un'ampia varietà di funzioni cellulari per tutta la vita di sviluppo embrionale e la guarigione della ferita al tumore e metastasi. Nonostante intensi sforzi di ricerca, i principi biochimici e biofisici fondamentali della migrazione cellulare non sono ancora pienamente compresi, soprattutto nelle fisiologicamente rilevanti (3D) microambienti tridimensionali. Qui, descriviamo un test in vitro per permettere l'esame quantitativo di comportamenti di migrazione delle cellule in 3D. Il metodo sfrutta la capacità mechanosensing della cellula e propensione a migrare nella matrice extracellulare precedentemente occupato (ECM). Usiamo l'invasione delle cellule del cancro al seno altamente invasivo, MDA-MB-231, in gel di collagene come sistema modello. La diffusione della popolazione cellulare e le dinamiche di migrazione delle singole cellule nel corso di settimane della cultura possono essere monitorati tramite live-cell imaging e analizzati per estrarre i dati spatiotemporally-risolti. Inoltre, Il metodo è facilmente adattabile per diverse matrici extracellulari, offrendo così un modo semplice ma potente per studiare il ruolo dei fattori biofisici del microambiente sulla migrazione delle cellule.
Introduction
La migrazione di cellule svolge un ruolo chiave nella varie risposte fisiologiche quali lo sviluppo embrionale, emostasi, e la risposta immunitaria, nonché in processi patologici come le malattie vascolari, infiammazione e cancro 1. Analisi dei fattori biochimici e biofisici sottostanti migrazione delle cellule è quindi di fondamentale importanza non solo per capire i principi fondamentali di funzioni cellulari, ma anche per avanzare varie applicazioni biomediche, come in ingegneria tissutale, anti-metastasi e sviluppo anti-infiammatori droga. Poiché osservazione in vivo è tecnicamente difficile, molti sforzi si è focalizzata sulla ricapitolazione in vitro della migrazione cellulare.
Metodi in vitro per studiare la migrazione delle cellule sono state in gran parte progettato per test su due superfici bidimensionali (2D), in particolare il graffio o ferita guarigione test 2. Tali saggi offrono semplice setup sperimentale, facile live-imaging cellulare, e fornire indicazioni utili in diversi meccanismi biochimici alla base delle migrazioni delle cellule. Tuttavia, questi test non rappresentano matrice (ECM) Architettura e rimodellamento extracellulare, che sono aspetti critici nella comprensione della migrazione vivo. Recentemente, è stato sempre più apprezzato che un modello di coltura 3D, spesso in matrici a base di collagene 3, fornisce una piattaforma che meglio assomiglia la situazione in vivo. Infatti, le cellule presentano dinamiche migratori che sono distinti da quelli sulle superfici 2D, soprattutto a causa della diversa dimensionalità dell'ambiente 4. Inoltre, le proprietà biofisiche e meccaniche della matrice influiscono sensibilmente migrazione cellulare 5, anche nel contesto di invasione delle cellule tumorali 6.
Qui vi presentiamo un metodo per studiare il comportamento di migrazione delle cellule 3D in ECM con proprietà biofisiche che possono essere facilmente variati condizioni di preparazione. Le cellule sonotesta di serie in un "gel interno" e sono autorizzati a fuggire in e invadere la "gel esterno" inizialmente acellulare. Il metodo si basa sulla capacità delle cellule di riconoscere la presenza e la propensione a migrare in regioni prive di cellule nel gel esterna, che è strettamente legato alla cella mechanosensing 7. In questo studio, ci avvaliamo di reti di collagene come il ECMs invasi dalle cellule del cancro al seno altamente invasive, MD-MBA-231. Le proprietà meccaniche e microstruttura di entrambi i gel interno ed esterno possono essere sintonizzati 8 e 9 caratterizzato per raggiungere condizioni fisiologicamente rilevanti. Ricostruzione e analisi delle tracce cellulari consentono esame quantitativa dettagliata del comportamento di migrazione spaziotemporale sia a livello della popolazione e livello di singola cellula. È importante sottolineare che la messa a punto del sistema di gel concentrica imita il vivo topologia tessuto affrontato da migrazione delle cellule, in particolare invadere le cellule tumorali, offrendo spunti importantiai meccanismi fisici di migrazione cellulare e metastasi.
Protocol
Representative Results
Discussion
In this protocol we describe an in vitro assay to study the 3D migrational behavior of cells in matrix environments that topologically resemble ECMs encountered in vivo. There are three main strengths of this assay as compared to other currently available methods. First, this assay allows one to simultaneously examine the cell migration mechanisms at both population level and individual cell level. This opens up possibilities of studying collective cell migration13, which has to date been lar…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano W. Sun e K. Jansen per le discussioni critiche, e per il sostegno da parte del Nano Biomeccanica Lab presso l'Università Nazionale di Singapore. NAK riconosce il sostegno di una Marie Curie IIF Fellowship.
Materials
| Cell culture incubator | Fisher Scientific Pte Ltd | Model: 371, S/No 318854-6055 | |
| Confocal microscope | Nikon A1R | Inverted confocal laser scanning microscope equipped with incubator chamber | |
| Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) | Life Technologies | 11965-092 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Life Technologies | 10082-147 | |
| Fluorescent CellTracker dye CMTMR | Life Technologies | C2927 | |
| Glass-bottom dish | IWAKI Cell Biology | 3931-035 | 35 mm diameter dish with 12 mm diameter glass-bottom well |
| Hemocytometer | iN CYTO | DHC-N01 (Neubauer Improved) | |
| Microprocessor pH meter | Hanna Instruments | pH 211 | |
| Nutragen Collagen | Advanced BioMatrix | #5010-D | Acid-solubilized bovine collagen type I (stock pH ~ 2) |
| Objective lens | Nikon | CFI Super Plan Fluor ELWD ADM 20XC, W.D. 8.2-6.9mm, NA 0.45. | |
| Penicillin-Streptomycin | Life Technologies | 15140-122 | |
| pH meter | Sartorius | S/No 29153352 | Basic pH Meter PB-11 |
| Trypsin-EDTA | Life Technologies | 15400-054 |
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