Inter-mobil kommunikasjon er viktig for å kontrollere forskjellige fysiologiske aktiviteter innenfor og utenfor cellen. Dette notatet beskriver en protokoll for måling av rom-tid natur encellete sekret. For å oppnå dette, er en tverrfaglig tilnærming brukes som integrerer label-free nanoplasmonic sensing med levende celle bildebehandling.
Inter-cellular communication is an integral part of a complex system that helps in maintaining basic cellular activities. As a result, the malfunctioning of such signaling can lead to many disorders. To understand cell-to-cell signaling, it is essential to study the spatial and temporal nature of the secreted molecules from the cell without disturbing the local environment. Various assays have been developed to study protein secretion, however, these methods are typically based on fluorescent probes which disrupt the relevant signaling pathways. To overcome this limitation, a label-free technique is required.
In this paper, we describe the fabrication and application of a label-free localized surface plasmon resonance imaging (LSPRi) technology capable of detecting protein secretions from a single cell. The plasmonic nanostructures are lithographically patterned onto a standard glass coverslip and can be excited using visible light on commercially available light microscopes. Only a small fraction of the coverslip is covered by the nanostructures and hence this technique is well suited for combining common techniques such as fluorescence and bright-field imaging.
A multidisciplinary approach is used in this protocol which incorporates sensor nanofabrication and subsequent biofunctionalization, binding kinetics characterization of ligand and analyte, the integration of the chip and live cells, and the analysis of the measured signal. As a whole, this technology enables a general label-free approach towards mapping cellular secretions and correlating them with the responses of nearby cells.
Inter-mobil kommunikasjon er viktig for regulering av mange fysiologiske aktiviteter både i og utenfor cellen. En rekke proteiner og vesikler kan bli utskilt som senere utløser komplekse cellulære prosesser som differensiering, sårheling, immunrespons, migrering og proliferasjon. 1-5 Feil på inter-cellulære signalbaner som har vært implisert i en rekke lidelser, inkludert kreft, aterosklerose og diabetes, for å nevne noen.
Den optimale celle sekresjon analysen, skal være i stand til romlig og tidsmessig å kartlegge det utskilte protein av interesse uten å forstyrre de relevante signalveier. På denne måten årsaksforhold mellom konsentrasjonsprofiler og responsen til den mottakende celler kan utledes. Dessverre har mange av de mest brukte lysrør-baserte teknikker ikke oppfyller disse kriteriene. Fluoriserende fusjonsproteiner kan anvendes for å merke analytten wTVen på cellen, men kan forstyrre den sekretoriske vei, eller hvis utskilt, resulterer i en diffus glød utenfor cellen som er vanskelig å kvantifisere. Fluorescerende immunosandwich-baserte analyser er de mest brukte metoder for påvisning av cellulære sekret men vanligvis krever isolasjon av individuelle celler. 6-11 i tillegg innføring av føle antistoffet typisk stopper eller avsluttes forsøket og størrelsen av antistoff etiketter, 150 kDa for IgG, er et hinder for nedstrøms signalering.
På grunn av disse sperringer er det foretrukket at en etikett-fri teknikk benyttes til bilde protein sekreter og blant eksisterende label fritt teknologier, overflate-plasmonresonans (SPR) og lokalisert overflate-plasmonresonans (LSPR) sensorer er gode kandidater. 12-17 Disse sensorer har blitt mye brukt for analysebindings studier av proteiner, exosomes og andre biomarkører. 18-24 Ved LSPR, den plasmonic nanostructures kan mønstret litografisk på dekkglass og begeistret bruker synlig lys via standard bredt felt mikros konfigurasjoner. På grunn av deres nanoskala fotavtrykk, flertallet av glassubstratet er tilgjengelig for vanlige avbildningsteknikker slik som lyse-feltet og fluorescensmikroskopi fremstilling av disse probene godt egnet for integrasjon med levende celle-mikroskopi. 25 til 28 Vi har vist at sanntidsmåling av antistoff sekreter fra hybridomceller bruker funksjongull Plasmonic nanostrukturer med romlige og tidsoppløsning på 225 msek og 10 mikrometer, henholdsvis. Den grunnleggende chip konfigurasjonen er vist i figur 1. 28 Utgangs lysbanen til mikroskopet er delt mellom et CCD-kamera som brukes for bilder og en fiber-optisk koplet spektrometer for kvantitativ bestemmelse av okkuperingsandelen av en gitt rekke av nanostrukturer (figur 2 ).
Den protocol presentert i denne artikkelen beskriver eksperimentelt design for sanntids måling av enkeltcelle sekreter samtidig med overvåking av responsen av cellene ved hjelp av standard lys-felt mikroskopi. Det tverr tilnærming omfatter fabrikasjon av nanostrukturer, funksjonalisering av nanostrukturer for høyaffinitets binding av analytter, overflate optimalisering for både å minimalisere ikke-spesifikk binding og karakterkinetiske hastighetskonstantene ved hjelp av et kommersielt overflate-plasmonresonans (SPR) instrument, integrering av cellelinjer på underlaget, og analysen av bilder og spektrale data. Vi forventer denne teknikken til å være en slik teknologi for rom-tid-kartlegging av celle sekreter og deres årsakssammenhenger med mottar celler.
The LSPR imaging technique described in this work has numerous advantages over more traditional methodologies for detecting cell secretions. First, the time resolution of our technique is on the order of seconds whereas the commercial alternative, an immunosandwhich assay known as EliSpot, has a typical time resolution of 2 to 3 days.7,32 As a result we were able to resolve sudden changes in the rate of protein secretion, such as that shown in Figure 6. Second, having arrays distributed over the chip allows for the secreted signal to be tracked in space and time which enables more rigorous comparisons to diffusion-based models of cell secretion. In addition, arrays like the control array shown in Figure 6 can be used to subtract out global changes in the image that typically arise from instrumental factors such as focus drift. Third, our technique requires no modification of the cells. If desired, the experiment can incorporate commonly used tags such as fluorescent proteins, but if there is concern that such tags may negatively affect cell viability or homeostasis the label-free nature of our approach does not require them. Fourth, using the spectroscopic data we have demonstrated that quantitative information regarding the fractional occupancy of surface bound ligands can be calculated.
There are numerous alternative methods to EBL for fabricating metallic nanoparticles. However, we have found that the EBL provides considerable flexibility for optimizing nanostructure and array dimensions to best suit the optics and the cells under investigation. Also critical is the fact that the chips can be readily regenerated by plasma ashing. In this way, a typical chip can be used dozens of times. Biofunctionalization details must be modified for the specific application. The protocol presented here conjugated the surface with relatively small c-myc peptide ligands. Larger ligands such as whole antibodies typically require more spacing and thus a higher SPO to SPN/SPC ratio. Regardless, a well formed SAM layer is essential for preventing non-specific binding in live-cell experiments. In general, larger molecular weight analytes are more readily detected by LSPR. Thus, in its single-cell manifestation, this technique may not be appropriate for detecting the secretion of small proteins, such as cytokines.
The current setup has been used for studying individual non-adherent cells. There are significant number of secreted signaling proteins and vesicles to which the results reported in this work are directly applicable. For example carcinoembryonic antigen (CEA) which for decades now has been a diagnostic marker for cancer. Colon cancer cells are known to secrete CEA at the rates of thousands of molecules/cell/hr and the molecular weight is 180 kDa which exceeds that of IgG antibodies. CEA is believed to be involved in autocrine and paracrine signaling pathways but the spatio-temporal nature of these secretions have never been measured. Our technique can directly address these signaling questions. An extension of this work will be to measure the spatio-temporal nature of CEA secretion from single cells.33 Future work will also focus on integrating LSPRi with two and three dimensional cell cultures of adherent cells. By incorporating multiplexed arrays capable of detecting a number of secreted proteins in parallel, this technique has the potential to open a new window into cell secretions and how they influence neighboring cells.
The authors have nothing to disclose.
The authors have nothing to disclose.
25mm diameter glass coverslips | Bioscience Tools | CSHP-No1.5-25 | 170±5 µm is optimal |
Poly-methyl methacrylate | Microchem | PMMA 950 A4 | |
Ethyl lactate methyl metacrylate | Microchem | MMA EL6 | |
Electron beam evaporator | Temescal | FC-2000 | |
Electron beam lithography | Raith | Series 150 | |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 459836 | |
Acetone | Sigma-Aldrich | 320110 | |
CR-7 chromium etchant | Cyantek | CR-7 | |
Scanning electron microscope | Zeiss | Ultra 55 | |
Atomic force microscope | Veeco | Nanoscope III | |
Plasma ashing system | Technics | Series 85 RIE | |
SH-(CH2)8-EG3-OH (SPO) | Prochimia | TH 001-m8.n3-0.2 | |
SH-(CH2)11-EG3-COOH (SPC) | Prochimia | TH 003m11n3-0.1 | |
SH-(CH2)11-EG3-NH2 (SPN) | Prochimia | TH 002-m11.n3-0.2 | |
Surface plasmon resonance system | Biorad | XPR36 | |
Bare gold chip | Biorad | GLC chip | Plasma ashed to remove the monolayer |
1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide | Thermo | 22980 | |
N-hydroxysuccinimide (NHS) | Thermo | 24510 | |
Pentylamine-Biotin | Thermo | 21345 | |
Ethanolamine | Sigma-Aldrich | E9508 | |
Neutraavidin | Thermo | 31000 | |
Phosphate buffered saline | Thermo | 28374 | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich | P2287 | |
Inverted microscope | Zeiss | Axio Observer | Microscope is equipped with 40X oil immersion objective; CO2 and humidity incubation from Pecon GmbH |
CCD camera | Hamamatsu | Orca R2 | Thermoelectrically cooled (16 bit) |
Spectrometer | Ocean Optics | QE65Pro | |
Spectrasuite | Ocean Optics | version1.4 | |
c-myc peptide HyNic Tag | Solulink | SP-E003 | |
monoclonal anti-c-myc antibody | Sigma-Aldrich | M4439 | |
Hybridoma cell line | ATCC | CRL-1729 | |
Antibiotic Antimycotic Solution (100×) | Sigma-Aldrich | A5955 | |
Serum free media RPMI 1640 | Invitrogen | 11835-030 | |
Fetal bovine serum | ATCC | 30-2020 | |
Rhodamine DHPE | Life Technologies | L-1392 |