기계적 스트레스 하에서의 세포 거동에 대한 탐구는 세포 역학 및 기계생물학의 발전에 중추적인 역할을 합니다. 당사는 단일 세포에서 세포 내 신호의 포괄적인 분석과 제어된 기계적 자극을 결합하는 새로운 방법인 형광 마이크로피펫 흡인(fMPA) 기법을 소개합니다. 이 기술은 살아있는 세포 기계생물학에 대한 새로운 심층 연구를 조사합니다.
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기계적 스트레스 하에서의 세포 거동에 대한 탐구는 세포 역학 및 기계생물학의 발전에 중추적인 역할을 합니다. 당사는 단일 세포에서 세포 내 신호의 포괄적인 분석과 제어된 기계적 자극을 결합하는 새로운 방법인 형광 마이크로피펫 흡인(fMPA) 기법을 소개합니다. 이 기술은 살아있는 세포 기계생물학에 대한 새로운 심층 연구를 조사합니다.
마이크로피펫 흡인 분석은 오랫동안 살아있는 세포 역학 연구의 초석이 되어 왔으며, 기계적 스트레스에 대한 세포 반응에 대한 통찰력을 제공합니다. 이 백서는 형광 결합 마이크로피펫 흡인(fMPA) 분석의 혁신적인 적응에 대해 자세히 설명합니다. fMPA 분석은 이온 채널에 의해 매개되는 살아있는 세포 기계적 전달 과정을 동시에 모니터링하면서 정밀한 기계적 힘을 투여할 수 있는 기능을 도입합니다. 정교한 설정에는 정밀하게 설계된 붕규산 유리 마이크로피펫이 미세하게 조절되는 물 저장조와 공압 흡입 시스템에 연결되어 있어 ± 1mmHg까지 정제된 증분으로 제어된 압력 적용이 용이합니다. 중요한 개선 사항은 epi-fluorescence 이미징의 통합으로, 흡인 중 세포 형태학적 변화와 세포 내 칼슘 플럭스를 동시에 관찰하고 정량화할 수 있습니다. fMPA 분석은 epi-fluorescence 이미징과 마이크로피펫 흡인의 시너지 효과를 통해 기계적으로 까다로운 환경에서 세포 메카노센싱 연구를 위한 새로운 표준을 제시합니다. 이 다면적 접근 방식은 다양한 실험 설정에 적용할 수 있어 단일 세포 메카노센싱 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다.
세포 행동의 세계에서 펼쳐지는 발견은 접착, 이동 및 분화와 같은 동적 세포 활동을 지시하는 데 있어 장력, 유체 전단 응력, 압축 및 기판 강성과 같은 기계적 자극의 역할을 강조했습니다. 이러한 기계생물학적 측면은 세포가 생리적 환경과 상호 작용하고 반응하여 다양한 생물학적 과정에 영향을 미치는 방식을 설명하는 데 가장 중요합니다 1,2.
지난 10년 동안 마이크로피펫 기반 흡인 분석은 기계적 자극에 대한 다양한 세포 반응을 연구하는 다목적 도구로 두각을 나타냈습니다. 이 기술은 세포 탄성 계수, 강성 및 피질 장력을 포함하여 단일 세포 수준에서 살아있는 세포의 고유한 기계적 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 이러한 분석을 통해 세포막 장력, 세포막에 가해지는 압력 및 피질 장력과 같은 다양한 기계적 매개변수를 측정할 수 있습니다(표 1에 요약됨). 열망하는 힘을 연구하는 것은 특히 단편화, 신장 및 발아를 포함한 막 역학 영역에서 세포 기능과 과정에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 우리의 이해를 풍부하게 했습니다 3,4.
| 기계적 매개 변수 | 묘사 | 중요한 접근법 |
| 셀 강성 | 셀의 기계적 강성 및 탄성 측정. | 세포막의 흡인 및 음압에 대한 변형 반응 분석20,21. |
| 접착 강도 | 세포가 표면에 얼마나 강하게 부착되는지에 대한 평가. | 기판2,22에서 부착된 세포를 분리하기 위한 제어된 흡입의 적용. |
| 멤브레인 장력 | 세포막 내의 장력 또는 응력 평가. | 적용된 압력에 대한 멤브레인 변형 측정23,24. |
| 점탄성 특성 | 세포의 결합된 점성 및 탄성 거동의 특성화. | 흡인에 대한 시간 의존적 변형 반응 분석23,25. |
| 변형성 | 세포가 얼마나 쉽게 모양을 바꿀 수 있는지에 대한 결정. | 제어된 흡입 하에서의 변형 정도 평가20,24. |
| 표면 장력 | 셀 표면의 장력 측정. | 마이크로피펫 멤브레인 돌출부를 형성하는 데 필요한 압력 평가26. |
| 세포-물질 상호작용 | 세포와 재료 또는 기질 간의 상호 작용에 대한 연구. | 다른 물질과 접촉하는 세포의 흡인 및 상호 작용 관찰2,24. |
| 세포-세포 상호작용 | 인접 세포 간의 상호 작용 검사. | 세포 그룹의 흡인 및 세포 간 힘 분석27. |
표 1: 마이크로피펫 흡인 분석으로 특징지어지는 기계적 파라미터.
마이크로피펫 기반 흡인 기법은 적혈구(RBC)를 연구하는 데 널리 사용되어 왔으며, 순환계에서 적혈구의 기능을 이해하는 데 필수적인 적혈구의 변형성과 다양한 기계적 특성을 평가합니다. 적혈구는 놀라운 적응성을 나타내며, 복잡한 모세혈관 네트워크와 내피 간 틈새를 통과할 때 변형에 대한 기계적 다양성을 보존합니다 5,6. 이 여정 동안 적혈구는 0.5-1.0 μm의 좁은 통로를 통과해야 하며 장력 및 압축을 포함한 다양한 기계적 힘을 받아야 합니다 7,8,9. 또한 순환 중 혈류에 의해 발생하는 전단 응력에 대한 민감도가 높다10. 이러한 과정은 기계적 자극에 대한 세포 반응에서 잘 확립된 역할을 하는 중요한 신호 이벤트인 칼슘 유입과 관련된 조절 메커니즘의 활성화를 촉진합니다11,12. 칼슘 매개 메카노센싱을 지배하는 복잡한 메커니즘은 여전히 지속적인 연구의 강력한 주제로 남아 있습니다.
이러한 맥락에서 fMPA는 정밀하게 제어되는 기계적 힘 하에서 칼슘 동원의 정도를 밝히는 효과적인 접근 방식으로, 기계적 조절(마이크로피펫 흡입 시스템 사용)과 칼슘 강도 시각화(형광 표시기 사용)를 동시에 적용할 수 있습니다. 특히 적혈구가 좁아지는 혈관을 통과할 때의 생리학적 시나리오를 모방합니다. 우리가 개발한 fMPA 시스템은 1mmHg의 분해능으로 압력을 생성할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 구현된 고속 카메라는 100ms의 시간 해상도와 서브미크론 미터 수준의 공간 해상도를 달성할 수 있습니다. 이러한 구성은 살아있는 세포에 기계적 힘을 정밀하게 적용하고 동시에 그 결과로 발생하는 세포 신호를 포착합니다. 또한, 이 설정의 통합적 엔지니어링 특성으로 인해 마이크로피펫 흡인 분석은 다른 장비나 기술을 보완하기 위해 쉽게 조정할 수 있어 세포 역학의 복잡성을 더 깊이 탐구할 수 있습니다. 이러한 다양성은 이 접근 방식의 또 다른 장점입니다.
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이 프로토콜은 시드니 대학교의 인간 연구 윤리 위원회의 지침을 따르며 승인을 받았습니다. 이 연구를 위해 기증자로부터 정보에 입각한 동의를 얻었습니다.
1. 인간 적혈구 분리
참고: 1.1단계는 Institutional Review Board에서 승인한 프로토콜을 사용하여 훈련된 정맥 전문의가 수행해야 합니다.
2. 칼슘 지시약 로딩
3. 마이크로피펫 제작
4. 세포실 준비

그림 1: 감방 그림. 40 mm x 22 mm x 0.17 mm 유리 커버 슬립의 두 절단 조각은 그리스를 사용하여 챔버 홀더에 부착됩니다. 두 개의 절단된 유리 커버슬립 사이에 Tyrode's Buffer의 약 200μL의 세포 용액이 파종됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
5. 마이크로피펫 흡인 조립
6. 형광 결합 마이크로피펫 흡인 분석 수행
7. 형광 강도 분석
(1)
그림 2: 형광 결합 마이크로피펫 흡인 어셈블리. (A) 명시야 및 형광 카메라와 결합된 도립 현미경을 통합한 fMPA 하드웨어 시스템의 개요. 이미지의 왼쪽은 수제 수압계와 공압 압력 펌프의 압력을 정밀하게 조정할 수 있는 컨트롤 박스를 보여줍니다. (B) 단일 마이크로피펫이 있는 실험 세포 챔버 및 미세 조작기 시스템을 묘사한 현미경 단계. (C) fMPA 시스템 설정의 개략도. 두 개의 dichroic mirror를 사용하여 brightfield(노란색) 및 형광(청색 방출, 녹색 여기) 신호의 동시 이미징을 통해 형광 광원(파란색)에서 대상으로, 그리고 이미징을 위해 카메라(녹색)로 광 경로를 지정합니다. (D) 맨 윗줄은 명시야 이미지를 나타내고 맨 아래 줄은 형광 이미지를 보여줍니다. 왼쪽은 적혈구가 정지해 있을 때 흡인 전 마이크로피펫의 위치를 나타냅니다. 중간 컬럼은 적혈구가 -40mmHg의 음압을 경험하는 흡인 과정을 보여줍니다. 오른쪽은 음의 흡인 압력을 경험한 후의 세포 형태를 나타냅니다. 눈금 막대 = 5μm. 약어: fMPA = 형광 결합 마이크로피펫 흡인; DM = 이색성 거울; RBC = 적혈구. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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마이크로피펫 흡인 분석을 확립하기 위해 먼저 손잡이로 연결된 두 개의 금속 사각형(구리/알루미늄)으로 구성된 맞춤형 셀 챔버를 구성했습니다. 두 개의 3차 절단 유리 커버슬립(40mm × 7mm × 0.17mm)을 부착하여 Tyrode의 완충액에 부유하는 200μL의 적혈구로 채워진 챔버를 만들었습니다. 적혈구를 챔버에 도입한 후 맞춤형 붕규산 마이크로피펫을 홀더에 고정하고 마이크로 매니퓰레이터를 사용하여 챔버 내에 조심스럽게 배치했습니다. 이어서, 마이크로피펫을 더 가까이 가져와 표적 적혈구를 포획하였다.
세포 흡인의 경우, 이 방법은 공압식 고속 압력 클램프를 사용하여 음의 흡인 압력을 미세 조정했습니다. 그런 다음 형광 이미징을 수행하여 적용된 다양한 음의 흡인 압력에서 칼슘 동원을 조사했습니다.
fMPA를 사용하여 적혈구가 다양한 음압 흡인압에 어떻게 반응하는지 조사한 결과, 적용된 음압과 흡인된 적혈구에 존재하는 칼슘 유...
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마이크로피펫 흡인 분석은 세포 생체 역학의 심오한 복잡성을 조사하기 위해 상당한 압력 조절, 정확한 공간 오케스트레이션 및 신뢰할 수 있는 시간적 식별을 배치하는 정교한 방법론을 구현합니다. 이 연구는 다양한 자극 하에서 적혈구가 나타내는 미묘한 기계적 민감성 반응을 밝히기 위한 중요한 도구로서 fMPA의 적용에 특히 중점을 둡니다. 명시야 신호와 형광 신호를 동시에 사용하면 세포 현상을 다각적으로 탐구할 수 있어 세포 내 칼슘 유입을 실시간으로 모니터링하고 검출할 수 있습니다. 이 접근법은 적혈구의 복잡한 기계 감지 반응에 대한 통합적인 통찰력을 제공합니다.
중요한 것은, fMPA 기법의 적용 가능성은 혈소판 및 뉴런과 같이 높은 기계적 민감도를 적용하지 않는 다른 세포 유형에도 사용될 수 있기 때문에 적혈구를 넘어 확장된다는 점이다9. 또한 fMPA는 실험 처리 중 세포 무결성에 미치는 영향을 최소화하기 때문에 세포의 자연 상태 보존...
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저자들은 본 연구와 관련하여 보고할 경쟁 이해관계가 없음을 선언합니다.
추가 기증자 모집, 혈액 수집 및 정맥 절개술 지원에 대해 Nurul Aisha Zainal Abidin과 Laura Moldovan에게 감사드립니다. 장비와 시약을 정리해 주신 Tomas Anderson과 Arian Nasser에게 감사드립니다. 이 연구는 호주 연구 위원회(ARC) 디스커버리 프로젝트(DP200101970-L. A.J.); 호주 국립 보건 및 의료 연구 위원회(NHMRC) 아이디어 보조금(APP2003904-L. A.J.); NHMRC 장비 보조금-LAJ; NSW 심혈관 역량 강화 프로그램(초중기 경력 연구원 보조금-LAJ); NSW CVRN-VCCRI 연구 혁신 보조금; 글로벌 및 연구 참여 사무국(시드니-글래스고 파트너십 협력상-LAJ); L.A.J.는 National Heart Foundation Future Leader Fellow Level 2(105863)이자 Snow Medical Research Foundation Fellow(2022SF176)입니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| &마이크로; Manager | Micro-Manager | 버전 2.0.0 | |
| 1mL 주사기 | Terumo | 210320D | 는 Microfil |
| 200 &마이크로; L 피펫 | 에펜도르프 | 3123000055 | 레드 클루드 셀 준비 |
| 22 x 40 mm 커버 슬립 | 니트텔 유리 | MS0014 | 셀 챔버 어셈블리 |
| 50 mL 주사기 | Terumo | 220617E | 급수탑에 연결 |
| 칼슘 클로라이드 (CaCl2) | Sigma-Aldrich | C1016 | Tryode's 완충제 준비 - 12 mM NaHCO3, 10 mM Hepes, 0.137 M NaCl, 2.7 mM KCl, 그리고 1 mM CaCl<>sub2로 보충된 5.5 mM D-포도당. 최종 pH = 7.2 |
| 원심분리기 5425 | Eppendorf | 5405000280 | 레드 클루드 세포 제제 |
| Clexane | Sigma-Aldrich | 1235820 | 수집된 혈액의 응고를 방지합니다. 10,000 U/mL |
| DAQami | 부지런한 | ||
| 형광 광원 | CoolLED | pE-300 | 마이크로피펫 흡인 하드웨어 시스템 |
| 유리 모세관 | Narishige | G-1 | 마이크로피펫 제조 |
| 포도 | Sigma-Aldrich | G8270 | Tryode의 완충액 준비 - 12 mM NaHCO3, 10 mM HEPES, 0.137 M NaCl, 2.7 mM KCl 및 5.5 mM D-포도당에 1 mM CaCl2이 보충됨. 최종 pH = 7.2 |
| Hepes | Thermo Fisher | 15630080 | Tryode의 완충액 준비 - 12mM NaHCO3, 10mM Hepes, 0.137M NaCl, 2.7mM KCl 및 5.5mM D-포도당에 1mM CaCl<>sub2이 보충됨. 최종 pH = 7.2 |
| 고속 GigE 카메라 | Manta | G-040B | 마이크로피펫 흡인 하드웨어 시스템 |
| 고속 압력 클램프 | 과학 기기 | HSPC-2-SB | 압력 펌프와 협력 |
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| 염화칼륨 (KCl) | Sigma-Aldrich | P9541 | Tryode's; 완충제 - 12 mM NaHCO3, 10 mM HEPES, 0.137 M NaCl, 2.7 mM KCl, 및 5.5 mM D-포도당에 1 mM CaCl2이 보충되었습니다. 최종 pH = 7.2 |
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| 탄산나트륨 (Na2CO3) | Sigma-Aldrich | S2127 | 탄산염/중탄산염 완충액 준비 - 250 mL의 Mili Q 물 2.1 g에 NaHCO3 2.65 g과 Na2CO3 - 최종 pH = 8-9. |
| 염화나트륨(NaCl) | Sigma-Aldrich | S7653 | Tryode의 완충액 준비 - 12mM NaHCO3, 10mM Hepes, 0.137M NaCl, 2.7mM KCl 및 5.5mM D-포도당에 1mM CaCl2이 보충되었습니다. 최종 pH = 7.2 |
| 인산나트륨 일염기 일수화물(NaH2PO4 • H2O) | Sigma-Aldrich | S9638 | Tryode's; 완충액 준비 - 12 mM NaHCO3, 10 mM Hepes, 0.137 M NaCl, 2.7 mM KCl 및 5.5 mM D-포도당에 1 mM CaCl2이 보충됨. 최종 pH = 7.2 |
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