AFM와 Microrheology Zebrafish 태아 노른자위 셀에
Summary
물성 및 비보에 긴장 매개 변수 측정 도구의 부족 방지 개발 하는 동안 그들의 역할을 확인 합니다. 우리는 원자 힘 현미경 (AFM) 및 나노-추적 epiboly 동안 그대로 zebrafish 태아 노른자위 셀에 기계적 기능 척도를 고용. 이 메서드는 안정적이 고 광범위 하 게 적용 관입 개입을 피하.
Abstract
Spatio 시간적 조직 조직 진화의 직접적인 요인 elucidating 연구 개발의 주요 목적 중 하나입니다. 다양 한 제안 다른 발달 및 전체적 프로세스에서 spatiotemporal 조직의 조직과 세포의 기계적 특성의 이해에 중요 한 기여 되었다고 주장 한다. 그러나, 소재 속성 및 비보에긴장 매개 변수 측정을 안정적이 고 접근 가능한 도구의 부족으로이 가설을 검증 어려운 되었습니다. 여기 우리는 원자 힘 현미경 (AFM) 및 입자 epiboly 동안 그대로 zebrafish 태아 노른자위 셀의 기계적 특성을 측정 하는 것을 목적으로 추적 하는 방법 제시. Epiboly는 그의 연구는 태아의 투명도 의해 촉진 된 초기 보존된 개발 프로세스입니다. 이 메서드는 구현 하기 간단 하 고 신뢰할 수 있는, 널리 적용 이후 그들은 조직 역학에 영향을 미칠 수 있는 방해 개입을 극복. 간단한 전략 표본, AFM, 기록과 나노 주사의 장착 및 추적에 대 한 적용 했다. 이 접근에 게 이러한 방법을 쉽게 적응할 수 있는 다른 발달 시간 또는 유기 체.
Introduction
전체적 프로세스의 biomechanical 제어 기본 원리는 크게 정의 되지 않습니다. Biomechanical 연구 분자 및 세포 수준에서 상당한 기세, 수집 하는 동안 biomechanical 매개 변수는 조직/유기 체 수준에서의 탐사 초기 단계에 있다. 유체역학 회귀1 또는 비디오 강제로 현미경2 레이저 미세3, 또는 덜 침입적 인 원자 힘 현미경 (AFM) 천연된 셀4 의 능동 및 수동 세력을 구별 하는 연구를 허용 또는 vivo에서 5 또는 나노 microrheology6 조직의 기계적 특성 및 응답의 기대를 수 있습니다.
AFM는 표면 거칠기 및 시험된 표면7접촉 시 캔틸레버 팁의 편향에서 준수 해결 원자 고해상도 3 차원 지형 기술입니다. AFM을 사용 하는 다른 방법론 마찰, 접착 힘, 및 다양 한 재료의 점 탄성 특성 측정을 포함 하 여 표면 특성을 조사 하기 위해 개발 되었습니다. 최근, AFM은 생물 학적 샘플의 기계적 특성에 대 한 정보를 검색 하는 강력한 도구로 떠오르고 있다. 특히, AFM 비 접촉 추출할 수 복잡 한 전단 계수 단일 셀에서 알려진된 벤딩 일정8의 캔틸레버에 연결 된 마이크로 팁과 진동 들여쓰기를 적용 하 여. 우리 결과 세력을 유추할 수 있습니다. 그러나, AFM은 고유 하 고 다른 방법론 개별 셀에서 데이터를 유 변 학적 및 기계적 특성을 추출 허용 (예: Micropipette 포부9, 자석 cytometry (MTC)10, 왜곡 또는 단축 인장 테스트11).
그러나, 복잡 한 전체적 프로세스에 이러한 새로운 방법론의 응용 프로그램은 간단 합니다. 미 발달 직물의 기계적 특성을 결정할 때 직면 하는 주요 과제는 작은 m m (µ m), 소프트 (10에2 -104 Pa 범위) 및 소재12의 탄성 (시간에 따른 현상 주는 상승) 자연. 그것은 따라서 배아와 개발 생물의 특정 경우에 기계적 성질 (강성, 점도, 접착)의 결정에 대 한 고용 하는 방법에 적응 하는 것이 중요. 두 가지 중요 한 문제는 고려해 분석 유 변 학적 접근 연구 개발 필요가: 간섭 방해를 방지 하 고 쉽게 액세스를 제공. 이 시나리오에서는 micropipette 포부, MTC와 인장 테스트 한계 전시. 첫 번째 경우, 셀 앓고 높은 변형의 생리 적 및 기계적 특성9변경할 수 있습니다. 두 번째의 경우, 단단히 준수 적용 스트레스 로컬로 골격 변형 되도록 기판에 실험 조직 필요 수 또한 효과 세포의 활성화 상태에서 그리고, 따라서, 그들의 기계적 기능10 소개 . 마지막으로, 단축 인장 접근 유기 체 및 접근성11개발의 형상에 의해 제한 됩니다.
AFM는 어떤 성가신 샘플 준비 없이 그들의 자연 환경에서 직접 수 생물 샘플의 연구 개발 프로세스의 연구에 대 한 더 나은 적합 것으로 보인다. 또한, 미 발달 직물의 분리는 일반적으로 어려운, AFM 프로브의 감소 된 크기 중간 (수성 또는 비 수성), 샘플 온도, 또는 화학 제품의 종류의 선택에서 제한 된 다양성의 높은 학위를 제공 샘플의 구성입니다. AFM는 큰 도메인에 적용 하 여 비늘 시간 충분히 다양 하 고 발달 단계로 또는 생리 적 조건에 조직의 소재 속성을 검색 하 고용 되었습니다. 전체 기본 조직 지형 관점에서 그리고 sclera, 같은 일부 경우에 동맥13 또는 뼈14 연구와 같은 기계적 성질도 검색된15있다. 지 세는 Xenopus16morphogenesis 동안 예를 들어, 셀 재배치의 시각화를 허용 하는 라이브 배아에서 탐구 했다. 마지막으로, 포괄적인 샘플 준비 프로토콜 다른 발달 과정 동안 기계 매개 변수를 확인 하기 위해 개발 되었습니다. 나노 지도 병아리 배아 소화 관11;에 대 한 네이티브 떼어낸된 조직 섹션에 생성 된 접착성 및 기계적 속성 개별 ectoderm, mesoderm, 및 endoderm 조상 셀 gastrulating zebrafish 태아4;에서 격리에 대 한 검색 강성 측정 epiblast 및 조류 배아17; explants에 원시 조 흔에 대 한 수행 그리고 강성 그라디언트 Xenopus5의 배아 뇌에 직접 정의 된의 뚜렷한 패턴.
배아 발달을 탐험에 대 한 AFM을 적용 하기 위한 상당한 질적 도약 접근 하는 간단한 접근 전체적 프로세스에서 올 수 있습니다. 제 브라 epiboly는 다른 조직을 직접 몇 시간에는 blastoderm의 확장을 제한 된 구체의 공간에 조정 하는 필수 및 보존 이벤트입니다. 제 브라 epiboly (구형 단계)의 발병에 표면 층의 세포, 무기력 레이어 (EVL), blastomeres 대규모 노른자위 syncytial 셀에 배아의 동물 극에 중심의 반 둥근 모자를 다루고 있습니다. Epiboly는 EVL의 외피 식물 구 확장 blastoderm, 및 노른자위의 주위 syncytial 노른자위 셀 (E-YSL)의 외부 층의 깊은 세포 (DCs)으로 구성 됩니다. Epiboly는 EVL 및 식물성 극18,,1920에 Dc의 폐쇄와 함께 끝납니다. 어떻게 그리고 어디 힘 epiboly 동안 생성 되 고 아직1,21을 명확 되지 않습니다 어떻게 그들은 세계적으로 결합 하는.
여기 우리가 자세히 AFM zebrafish 노른자위에서 epiboly 진행 하는 동안 수동 기계 조직 속성 vivo에서세포 유추 적용 하는 방법을 설명 합니다. 이렇게 하려면, 우리는 AFM 캔틸레버로 프로브에 연결 하는 작은 스피어 고용. 균일 하지 않은 노 른 자 세포 표면 및 시간이 지남에 정지와 그라디언트 및 그들의 역학을 공부 정확한 지역 정보를 검색할 수 있습니다. 대체 AFM 등 쐐기 캔틸레버22를 사용 하 여 접근, 하지 렌더링 로컬 데이터를 충분히 정확한 것입니다. 캔틸레버 끝에 샘플 크기 보다 큰 쐐기 하기 매우 조심 조작 기술이 필요 합니다, 쐐기 기법은 배아를 검색 하는 데 적합 (~ 2-fold 캔틸레버의 길이 보다 큰) 역학.
모델링 및 질적, 양적 방법으로 셀의 점 탄성 특성 그들의 역학에 대 한 향상 된 이해에 대 한 수 있습니다. Biomechanical 관점에서 epiboly, 그리고 대뇌 피 질의 긴장 측정 및 역학, AFM;에 의해 추출 될 수 있다 수요 지식 뿐 아니라 이해 하는 것이 필수적입니다. 따라서 조직의 생물 속성에 대 한 내용은 필요가 있다. 이 정보를 추출 하 셀 유동성 기법의 다양 한 다른 생리 적인 조건23에서 다른 세포 유형 성격을 나타내기 위하여 수 년에 걸쳐 개발 되었다. 그들은 AFM, MTC, 및 광학 핀셋 (OT)이 포함 됩니다. 그러나 이러한 방법에는,, 입증 되었습니다 배아 또는 장기의 규모에서 생체 분석에 대 한 부적 절 한. 대신, 우리가 성공적으로 나노 추적 microrheology6 유 변 학적 측정 비보에 적응 했습니다. 이 기술은 개별 입자의 브라운 변위를 분석 하 고 로컬 micromechanical 속성을 유추.
함께 AFM와 나노 microrheology epiboly 동안 대뇌 피 질의 정지와 역학의 정 및 노른자위의 내부 기계적 특성을 수 있습니다. 이 정보는 완전히 있는 이방성 스트레스는 EVL의 변형 응답에 있는 다름 결과로 개발 하 고 전자-YSL 피 등방성 actomyosin 수축 노른자위 세포질 레이어 (YCL)은 필수적인 모델 지지 EVL와 epiboly 진행1의 방향 순 이동.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기 우리가 소재 속성 및 epiboly 동안 zebrafish 노른자위 셀의 일부 biomechanical 매개 변수 수 AFM 및 나노 입자 microrheology에 의해 쉽게 예상할 수 보여줍니다.
AFM 세포와 조직 생리 조건4,5,,2528의 유 변 학적 기능 검색 고용 되었다, 그러나 여기 우리는 AFM 그대로 개발에 적용 하기 위한 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리가 이러한 프로토콜에 대 한 기준 설정에 대 한 Amayra 에르난데스-베가 필립 알렉산더 Pouille 감사 합니다. 우리는 또한 IBMB-PCB, 자비에 르 스 및 지속적인 지원에 대 한 실험실의 구성원에서 분자 이미징 플랫폼을 감사합니다. 통합 그룹 프로그램 Generalitat 드 Catalunya와 DGI EMB 및 DN에 경제와 스페인의 Competitivity Consolider 보조금의 지원이 작품.
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 |
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