Planar Gradient Diffusionssystem, um Chemotaxis in einem 3D-Kollagen-Matrix Untersuchen
Summary
Cell migration is an important part of human development and life. In order to understand the mechanisms that can alter cell migration, we present a planar gradient diffusion system to investigate chemotaxis in a 3D collagen matrix, which allows one to overcome modern diffusion chamber limitations of existing assays.
Abstract
The importance of cell migration can be seen through the development of human life. When cells migrate, they generate forces and transfer these forces to their surrounding area, leading to cell movement and migration. In order to understand the mechanisms that can alter and/or affect cell migration, one can study these forces. In theory, understanding the fundamental mechanisms and forces underlying cell migration holds the promise of effective approaches for treating diseases and promoting cellular transplantation. Unfortunately, modern chemotaxis chambers that have been developed are usually restricted to two dimensions (2D) and have complex diffusion gradients that make the experiment difficult to interpret. To this end, we have developed, and describe in this paper, a direct-viewing chamber for chemotaxis studies, which allows one to overcome modern chemotaxis chamber obstacles able to measure cell forces and specific concentration within the chamber in a 3D environment to study cell 3D migration. More compelling, this approach allows one to successfully model diffusion through 3D collagen matrices and calculate the coefficient of diffusion of a chemoattractant through multiple different concentrations of collagen, while keeping the system simple and user friendly for traction force microscopy (TFM) and digital volume correlation (DVC) analysis.
Introduction
Die bevorzugte Bewegung von Zellen in Richtung eines Konzentrationsgefälles Chemotaxis bekannt, spielt eine wichtige Rolle bei pathologischen und physiologischen Prozessen im Körper. Solche Beispiele sind Haut- und Schleimhaut Wundheilung 1, 2 Morphogenese, Entzündungen 3, und das Tumorwachstum 4,5. Es wurde auch gezeigt, daß Krebszellen durch beide individuelle und kollektive Zellmigrationsstrategien 6 migrieren. Darüber hinaus können Diffusionsinstabilität Mechanismen die Trennung von einzelnen oder gruppierten Zellen aus einer Tumor Körper / Objekt zu induzieren und dann kann auf eine Quelle von Nährstoffen einzuwandern und so dringen größere Gebiete und Gewebe 7.
Ferner hat es sich gezeigt, dass die vielfältigen Migrationsmechanismen aktiv in 2D und 3D werden, wegen der unterschiedlichen Rollen von Adhäsionsmolekülen 8. Daher ist ein Umzug in physiologisch relevanten in-vitro-Tests an Zellbeweglichkeit in einem measureabl untersuchene und einfache Weise von Bedeutung für das Verständnis Zellbewegung Phänomene 9. Leider ist die Schwierigkeit bei der Analyse von Zellmigration, eine umfassende quantifizierbare Chemotaxis-Assay erfordert in der Regel eine lange mühsame Methode, auf der Messung der unparteiische Zellbeweglichkeit und Transportphänomene Modelle gegründet.
Vergangenen experimentellen Ansätzen, um die Zellchemotaxis zu untersuchen sind der Boyden-Kammer 10 und der unter Agarose-Assay 11. Doch innerhalb dieser frühen Tests, die Zellmigration Experimente nicht die Bewegung in Bezug auf die Zeit zu überwachen. Weitere, besonders wichtig, die Konzentrationsgradienten für die Experimente verwendet wurden, nicht gut definiert oder vollständig verstanden, während nur die Erhaltung der Signalisierung für nicht mehr als ein paar Stunden. Weiterhin frühen Chemokammer Versuche beschränkt Zellmigration auf zwei Dimensionen und nicht erlauben, die Kinetik der Migration 12 überwachen. Mit Blick auf die Boyden-Kammer, ein Endpunkt-Assaywürde nicht zulassen, dass der Forscher, um die Migration visuell zu beobachten und nicht direkt zu unterscheiden Chemotaxis (Bewegungsrichtung) von Chemokinese (Zufallsbewegung). Darüber hinaus mehrere Variablen-Unterschiede in der Porengröße und Dicke der Membranen verursachten die Kammer sehr schwierig, einfach zu reproduzieren und verdeckte die Wander Reaktion von Zellen auf Chemokine 13,14.
Mit dem neuen Verständnis der Mikrofluidik, haben neue Kammern und Mikrogeräten als Instrument untersucht worden, um Zellbewegung unter Zwischenströmungsbedingungen zu untersuchen oder Chemotaxis 15,16. Unter diesen neuen Geräten wurden neue Zell Metriken eingeführt und untersucht, wie die Wirkung von Scherspannung auf eine Zelle 17,18. Leider vergangenen und aktuellen mikrofluidischen Chemotaxiskammern begrenzt Untersuchungen von Zellmigration, um 2D-Substrate eine wichtige Rückschlag seit vielen biologischen Prozessen wie Tumorzellinvasion und Metastasierung, und imImmunzellmigration, beinhalten 3D-Migration.
Direkte Beobachtung Kammern, wo-a chemoattractant Lösung in Kontakt mit einer 3D-Gel enthaltenden Zellen wurden ebenfalls berichtet 19,20. Diese Kammern haben zwei Kammern, von denen eine Lockstoff und eine mit Zellen, die nebeneinander horizontal 21 oder als konzentrische Ringe 22 verbunden sind. Diese Systeme werden in die richtige Richtung, aber nicht über ein Chemotaxis-System zu halten für eine ausgedehnte Zeitperiode.
Darüber hinaus haben Forscher auch durch Kollagenmembranen in Dialysezellen sowie die Diffusion von Tracermolekülen durch Kollagenproben gegen hydrostatischen Druck unterworfen 23-25 geprüft Leitfähigkeit. Einige Diffusionsexperimente in Kollagengelen beruhen auf physikalischen und chemischen Modifikationen des Gels mit Magnetfeldern und chemischer Einbau 26. Eine beliebte Methode zur Modellierung von Diffusionsvermögen in collaGenous Gewebe beruht auf der Fluoreszenzabbildung der kontinuierlichen Punkt Photobleichen. Dieses Verfahren wurde Anisotropie der Diffusionskoeffizienten von Makromolekülen in orientierten Kollagengewebe offenbart. Dennoch hat Photobleichens im Gelenkknorpel benutzt und nicht-Kollagen-Matrices. Zwar ähnlich, müssen die erforderlichen Modellversuche durch speziell Verständnis der Diffusionskoeffizient von Kollagengelen erfolgen. Noch wichtiger ist, die Systeme nicht ein Verfahren zur Messung Zellkrafterzeugung nutzen.
Leider sind die meisten Systeme scheinen auf ein oder zwei Schlüsselelemente für ein ideales System fehlen: das ermöglicht der Zelle Tracking, einem Diffusionsgefälle Verständnis mit einem chemotaktischen Faktor durch die Matrix, einem relativ einfachen Aufbau mit einer Leichtigkeit der Reproduzierbarkeit, der Minimierung von Zell-Zell-Wechselwirkungen, sowie die Fähigkeit, Dimensionseinheiten zur Quantifizierung (dh, die Geschwindigkeit, Kraft, spezifische Konzentrations) zu messen. Moghe et al. </em> 27 ein System vorgeschlagen, das weitgehend die Anforderungen in der Zellen wurden zunächst im ganzen Gel dispergiert anstatt auf der Filteroberfläche konzentriert erfüllt, ist aber schwierig zu Kräften, die die Zelle erzeugt messen.
Zu diesem Zweck stellen wir eine planare Gradienten-Diffusionssystem zur Chemotaxis in einem 3D-Kollagen-Matrix, die eine moderne Diffusionskammer Beschränkungen vorhandener Assays, die auf Zeitraffermikroskopie beruht, in Verbindung mit Bildanalysetechniken zu Zelle messen zu überwinden ermöglicht untersuchen Kräfte in einer 3D-Umgebung. Dieses Protokoll sieht eine einfache, aber innovative Art der Erstellung einer einfachen 3D-Diffusionskammer, die verwendet werden können, um 3D-Chemotaxis in verschiedenen Zellen zu untersuchen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die wichtigsten Schritte für eine erfolgreiche Diffusionsexperimente mit oder ohne Zellen sind: richtig Einrichten der Formanordnung; Entwicklung der notwendigen Fingerfertigkeit, um bei der Extraktion von hydrophoben Deckschäden zu vermeiden; gewährleisten eine sehr gute lineare Startlinie, um den Diffusionskoeffizienten korrekt berechnen zu finden; korrigieren experimentelle Berechnungen von sowohl Kollagen und chemische Lockstoffe; von Live Cell Imaging System, um sicherzustellen, Matrix trocknet nicht aus richtig…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge Drs. Jonathan Reichner and Angle Byrd for cell experiment insight. The National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (GRFP) supported this work.
Materials
| Silicone elastomer kit | Dow Corning Corp | 182 SIL ELAST KIT .5KG | a two-part misture with a 10:1 mix |
| Live cell imaging chamber | Live Cell Instrument | CM-B18-1 | CMB for 18mm round coverslips |
| 22mm Glass Coverslip | Fisher Scientific | NC0180281 | Neuvitro Corp. cover slip 22mm 1.5 |
| Machined aluminum metal cube | |||
| Hobby utility knife | X-Acto | X3201 | |
| 3-(aminopropyl) trimethoxysilane | Sigma-Aldrich | 281778-5ML | |
| Glutaraldehyde | Polysciences, Inc | 00216A-10 | Glutaraldehyde, EM Grade, 8% |
| 50 ml tube | Fisher Scientific | 14-432-22 | Standard floor model and tabletop centrifuges |
| Glass petri dish | Fisher Scientific | 08-747A | Reusable Petri Dishes: Complete (60 x 15mm) |
| Forceps | Fisher Scientific | 22-327-379 | Fine Point Forceps |
| Cover glasses | Fisher Scientific | 12-518-105A | Rectangle; 30 x 22mm; Thickness No. 1 |
| Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl | Gelest | SIT8174.0 | |
| Acetic acid | Sigma-Aldrich | 320099 | Acetic acid ACS reagent, ≥99.7% |
| Hexane | Sigma-Aldrich | 296090 | Hexane |
| anhydrous, 95% | |||
| Ethyl alcohol | Sigma-Aldrich | E7023 | 200 proof, for molecular biology |
| High-precision diamond scribing tool | Lunzer | PV-081-3 | Straight extended tip scribe, .020" (.50mm) diameter by .200" (5.0mm) tip length |
| Vacuum grease | Dow Corning | 14-635-5C | High-Vacuum Grease |
| 15 ml tube | Fisher Scientific | 14-959-49D | 15 ml conical centrifuge tubes with hydrophobic, biologically inert surface |
| 10X phosphate buffered solution | Fisher Scientific | BP399-500 | 1.37 M Sodium Chloride, 0.027 M Potassium Chloride, and 0.119 M Phosphate Buffer |
| 1N sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 38215 | Sodium hydroxide concentrate |
| Collagen I, rat tail | BD Biosciences | 354236 | Rat tail |
| Micro centrifuge tube | Fisher Scientific | 02-681-332 | Volume: 2.0 ml; O.D. x L: 13 x 40 mm; sterile; single-wrapped |
| Carboxylate-modified microspheres | Invitrogen | F-8813 | Carboxylate-modified microspheres, 0.5 µm, yellow-green fluorescent (505/515), 2% solids |
| Rhodamine | Sigma-Aldrich | 83689 | Rhodamine B for fluorescence |
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