Summary

Imagens de células vivas durante Mecânica estiramento

Published: August 19, 2015
doi:

Summary

A novel imaging protocol was developed using a custom motor-driven mechanical actuator to allow the measurement of real time responses to mechanical strain in live cells. Relevant to mechanobiology, the system can apply strains up to 20% while allowing near real-time imaging with confocal or atomic force microscopy.

Abstract

There is currently a significant interest in understanding how cells and tissues respond to mechanical stimuli, but current approaches are limited in their capability for measuring responses in real time in live cells or viable tissue. A protocol was developed with the use of a cell actuator to distend live cells grown on or tissues attached to an elastic substrate while imaging with confocal and atomic force microscopy (AFM). Preliminary studies show that tonic stretching of human bronchial epithelial cells caused a significant increase in the production of mitochondrial superoxide. Moreover, using this protocol, alveolar epithelial cells were stretched and imaged, which showed direct damage to the epithelial cells by overdistention simulating one form of lung injury in vitro. A protocol to conduct AFM nano-indentation on stretched cells is also provided.

Introduction

As células são submetidas a cargas mecânicas em muitos tecidos, e este estímulo mecânico foi mostrado para promover a alterações dos padrões de expressão de genes, a libertação de factores de crescimento, citoquinas, ou remodelação da matriz extracelular e do citoesqueleto 1-4. Os sinais intracelulares transduzidas de tais estímulos mecânicos ocorrer através do processo de mecanotransdutores 5-7. No sistema respiratório, um resultado de mecanotransdutores é o aumento de espécies reactivas de oxigénio (ROS) e 8,9 citocinas pró-inflamatórias 10 em células epiteliais pulmonares, na presença de cíclica esforço de tensão. Uma forte evidência também sugere que a tensão de tracção excessiva leva a dirigir a lesão do epitélio alveolar, para além das respostas bioquímicas das células 11-14. Embora o foco é principalmente na resposta de células pulmonares a deformação mecânica, as vias induzidas por mecanotransdutores desempenhar um papel-chave nos basic função de muitos tecidos no corpo humano, incluindo a regulação do tónus vascular e 15 o desenvolvimento da placa de crescimento 16.

O interesse crescente em mecanotransdutores resultou no desenvolvimento de numerosos dispositivos para a aplicação de cargas mecânicas fisiologicamente relevantes para células cultivadas e tecidos. Em particular, dispositivos de aplicação de um esforço de tensão, que é uma forma comum de carregamento mecânico experimentado pelo tecido, são populares 11,17-19. No entanto, muitos dos dispositivos disponíveis ou são concebidos como um biorreactor para aplicações de engenharia de tecidos ou não são favoráveis ​​para imagiologia em tempo real com estiramento. Como tal, existe uma necessidade para desenvolver ferramentas e métodos que podem visualizar as células e tecidos em tensão para facilitar a investigação das vias de mecanotransdutores.

Aqui, um dispositivo de estiramento mecânico no plano foi concebido e protocolos foram desenvolvidos para aplicar multiple formas de estirpe para os tecidos e células, enquanto permitindo imagiologia das respostas bioquímicas e mecânicas em tempo real (Figura 1A-D). O dispositivo utiliza seis grampos espaçados uniformemente dispostas circunferencialmente de compreender uma membrana flexível e aplicar uma no plano, a distensão radial até aproximadamente 20% (Figura 1B). O dispositivo de accionamento pode ser colocado em uma incubadora de cultura de células por um período prolongado de tempo, enquanto o motor (Figura 1C) está posicionado do lado de fora da incubadora e controlada por software proprietário fornecido pelo fornecedor do motor. O motor é ligado a um controlador linear, o qual roda um ressalto interno, conduzindo os seis grampos esticadores uniformemente em tensão e relaxamento.

Em adição ao dispositivo mecânico, membranas flexíveis personalizadas foram criadas a partir de membranas de cultura de células imediata disponíveis comercialmente para serem utilizados no sistema mecânico. Em seguida, as paredes circulares (com um diâmetro de aproximadamente28 mm) foram feitos e ligados para a membrana flexível, de modo que as células podem ser cultivadas apenas na região do perfil estirpe bem descrito. A fim de determinar se o posicionamento destas membranas no interior do dispositivo de accionamento proporcionaria deformação uniforme e isotrópico no centro da membrana flexível, a análise de elementos finitos foi realizada usando o software comercialmente disponível (Figura 1E-F). A membrana flexível foi modelada com condições de contorno simétricas e utilizando todos os elementos quadrilaterais para a malha. Os anéis concêntricos visto no gráfico de contorno da estirpe principal máxima mostrada na Figura 1F indicam a distribuição isotrópica da estirpe.

A tensão experimentado por a membrana foi medida por gravar imagens de marcações através de carga (Figura 2). A Figura 2D mostra que a tensão média de membrana medido em direcções radiais e axiais era aproximadamente linearno que diz respeito ao motor aplicado conta-se a uma estirpe linear máxima de 20%. Não houve diferença significativa entre os níveis de tensão medidos durante a distensão em comparação com os medidos durante a retracção de volta para a posição de repouso. Em seguida, o deslocamento de células epiteliais brônquicas humanas (16HBE) e seus núcleos cultivadas sobre a membrana flexível costume foram medidos. Marcado por fluorescência (DAPI) núcleos das células 16HBE foram visualizados utilizando uma objectiva de 20x num microscópio confocal, enquanto que o deslocamento de células inteiras foi medida com imagens de contraste de fase gravados com um microscópio digital. Como pode ser visto na Figura 3, a tensão medida pelo deslocamento de núcleos foi semelhante ao medido por deslocamento de marcações na membrana, até ~ 20% de deformação linear. Isto confirma que a estirpe aplicada às membranas foi transmitida para as células aderentes. Os protocolos que descrevem a utilização do dispositivo personalizado em um microscópio tradicional e uma força atómica microscope são fornecidos nas seguintes etapas.

Protocol

1. Construção de membrana com Bem Paredes de Retenção de celular Meios de Cultura (ver Figura 1D para o produto final) Usando o polidimetilsiloxano (PDMS) folhas revestidas com colagénio I, cortar o contorno da membrana flexível com um bisturi ou uma matriz. Colocar cada membrana numa placa de 60 mm de Petri para o armazenamento. Criação de paredes: Misture PDMS em uma proporção de 10: 1 em peso, de elastômero A a elastômero B (agente de cura). Pour 5 ml de P…

Representative Results

Espécies Reativas de Oxigênio e Deformação Estudos anteriores mostraram aumentos de espécies reativas de oxigênio (ROS) em vias aéreas e células epiteliais alveolares em resposta ao estiramento cíclico 21. Espécies reactivas de oxigénio incluem moléculas e radicais livres derivados de oxigénio molecular com alta reactividade com lípidos, proteínas, polissacáridos, ácidos nucleicos e 22-24. ROS servir como um sinal intracelular comum para regula…

Discussion

Um dispositivo único para imagens de células vivas durante estiramento mecânico foi desenvolvido; e este dispositivo foi usado em um protocolo para estudar epiteliais do pulmão mechanobiology celular. Em estudos preliminares, verificou-se que uma única estiramento realizada estimulou a produção de superóxido mitocondrial em células epiteliais brônquicas. Além disso, foi demonstrado que o aumento dos níveis de tensão mecânica causou danos directos para a integridade de uma monocamada de células epiteliais …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores gostariam que agradecer Fedex Instituto de Tecnologia da Universidade de Memphis para seu apoio. Os autores gostariam de agradecer os alunos do grupo de projeto sênior de design no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Memphis (David Butler, Jackie Carter, Dominick Cleveland, Jacob Shaffer), Daniel Kohn do departamento de Universidade de Tecnologia de Engenharia de Memphis para controle de motor e Dr. Teng Bin e Ms. Charlean Luellen por sua ajuda em cultura de células. Este trabalho foi apoiado por K01 HL120912 (ER) e R01 HL123540 (CMW).

Materials

SmartMotor NEMA 34: 3400 Series MOOG Animatics SM3416D Integrated motor, controller, amplifier, encoder and communications bus
Flexcell Membrane (Collagen I coated) Flexcell International Corp SM2-1010C 3.5×5.25×0.020"
Sylgard 184  Dow Corning Corporation 10:1
Hoechst 33342  Sigma-Aldrich H1399 DAPI stain
MitoSOX Sigma-Aldrich M36008
Tiron Sigma-Aldrich D7389  mitochondrial superoxide label
DMEM superoxide inhibitor
FBS
HEPES
50 ml tubes Fisher Scientific 06-443-19 Any centriguge tube can be used to create an area for imaging.
Hybridization oven Bellco Glass
MLE12 Cells ATCC CRL-2110 Mouse Lung Epithelial Cells 
16HBE cells ATCC CRL-2741 Human Bronchial Epithelial Cells
AFM Indentation Experiments
Cantilever Beams for Nano-indentation Budget Sensors Si-Ni30
AFM  Asylum Research MFP3D
Olympus microscope Olympus IX-71 Inverted microscope with 20X and 40X objectives.
AFM Leg Extenders Asylum Research Not available AFM microscope
Finite Element Analyses
ABAQUS Simulia 6.12
Software
ImageJ NIH
Microscopes
Digital microscope Life Technologies EVOS XL Core Initially a self standing company, now owned by Life Technologies.
Confocal microscope Zeiss LSM 710 2-photon upright microscope

Referências

  1. Tschumperlin, D. J., Boudreault, F., Liu, F. Recent advances and new opportunities in lung mechanobiology. J Biomech. 43, 99-107 (2010).
  2. Waters, C. M., Roan, E., Navajas, D. . Comprehensive Physiology. , (2011).
  3. Majkut, S., Dingal, P. C. D. P., Discher, D. E. Stress Sensitivity and Mechanotransduction during Heart Development. Current Biology. 24, R495-R501 (2014).
  4. Hoffman, B. D., Grashoff, C., Schwartz, M. A. Dynamic molecular processes mediate cellular mechanotransduction. Nature. 475, 316-323 (2011).
  5. Wang, N., Butler, J. P., Ingber, D. E. Mechanotransduction across the cell-surface and through the cytoskeleton. Science. 260, 1124-1127 (1993).
  6. Liu, M., Tanswell, A. K., Post, M. Mechanical force-induced signal transduction in lung cells. Am J Physiol. 277, L667-L683 (1999).
  7. Janmey, P. A., McCulloch, C. A. Cell mechanics: integrating cell responses to mechanical stimuli. Annu Rev Biomed Eng. 9, 1-34 (2007).
  8. Waters, C. M. Reactive oxygen species in mechanotransduction. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 287, L484-L485 (2004).
  9. Chapman, K. E., et al. Cyclic mechanical strain increases reactive oxygen species production in pulmonary epithelial cells. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 289, L834-L841 (2005).
  10. Chu, E. K., Whitehead, T., Slutsky, A. S. Effects of cyclic opening and closing at low- and high-volume ventilation on bronchoalveolar lavage cytokines. Crit Car Med. 32, 168-174 (2004).
  11. Tschumperlin, D., Margulies, S. Equibiaxial deformation-induced injury of alveolar epithelial cells in vitro. Am J Physiol. 275, L1173-L1183 (1998).
  12. Vlahakis, N. E., Hubmayr, R. D. Cellular stress failure in ventilator-injured lungs. Am J Respir Crit Care Med. 171, 1328-1342 (2005).
  13. Roan, E., et al. Hyperoxia alters the mechanical properties of alveolar epithelial cells. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 302, L1235-L1241 (2012).
  14. Gamerdinger, K., et al. Mechanical load and mechanical integrity of lung cells – Experimental mechanostimulation of epithelial cell- and fibroblast-monolayers. J Mech Behav Biomed Mater. 4, 201-209 (2014).
  15. Hayashi, K., Naiki, T. Adaptation and remodeling of vascular wall; biomechanical response to hypertension. J Mech Behav Biomed Mater. 2, 3-19 (2009).
  16. Villemure, I., Stokes, I. Growth plate mechanics and mechanobiology. A survey of present understanding. J Biomech. 42, 1793-1803 (2009).
  17. Waters, C. M., et al. A system to impose prescribed homogenous strains on cultured cells. J Appl Physiol (1985). 91, 1600-1610 (2001).
  18. Gerstmair, A., Fois, G., Innerbichler, S., Dietl, P., Felder, E. A device for simultaneous live cell imaging during uni-axial mechanical strain or compression. J Appl Physiol (1985). 107, 613-620 (1985).
  19. Dassow, C., et al. A method to measure mechanical properties of pulmonary epithelial cell layers. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 101, 1164-1171 (2013).
  20. Chapman, K., et al. Cyclic mechanical strain increases reactive oxygen species production in pulmonary epithelial cells. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 289, L834-L841 (2005).
  21. Birukov, K. G. Cyclic stretch, reactive oxygen species, and vascular remodeling. Antioxid Redox Signal. 11, 1651-1667 (2009).
  22. Turrens, J. F. Mitochondrial formation of reactive oxygen species. J Physiol. 552, 335-344 (2003).
  23. Wang, W., et al. Superoxide flashes in single mitochondria. Cell. 134, 279-290 (2008).
  24. Pouvreau, S. Superoxide flashes in mouse skeletal muscle are produced by discrete arrays of active mitochondria operating coherently. PLoS One. 5, (2010).
  25. Yalcin, H. C., et al. Influence of cytoskeletal structure and mechanics on epithelial cell injury during cyclic airway reopening. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 297, L881-L891 (2009).
  26. Jacob, A. M., Gaver, D. P. Atelectrauma disrupts pulmonary epithelial barrier integrity and alters the distribution of tight junction proteins ZO-1 and claudin 4. J Appl Physiol. 113, 1377-1387 (2012).
  27. DiPaolo, B. C., Lenormand, G., Fredberg, J. J., Margulies, S. S. Stretch magnitude and frequency-dependent actin cytoskeleton remodeling in alveolar epithelia. Am J Physiol Cell Physiol. 299, C345-C353 (2010).
check_url/pt/52737?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Rápalo, G., Herwig, J. D., Hewitt, R., Wilhelm, K. R., Waters, C. M., Roan, E. Live Cell Imaging during Mechanical Stretch. J. Vis. Exp. (102), e52737, doi:10.3791/52737 (2015).

View Video