기계적 자극 및 높은 해상도 C. 선 충 의 이미징에 대 한 마이크로 장치를 사용 하 여
Summary
Mechanobiology 연구에 대 한 새로운 도구 어떻게 기계적 스트레스를 이해 하는 데 필요한 생화학 경로 활성화 하 고 elicits 생물학 응답. 여기, 우리 세포 응답의 고해상도 이미지를 수 있도록 미세 트랩으로 움직이지 동물의 선택적 기계적 자극에 대 한 새로운 방법을 전시.
Abstract
Mechanobiology의 한 중앙 목표 단백질 및 세포에 기계적 스트레스의 상호 효과 이해 하는 것입니다. 그 중요성에도 불구 하 고 세포질 기능에 기계적 스트레스의 영향이 아직도 제대로 이해 된다. 몇 가지 도구를 사용 하면 조직과 세포의 동시 변형, 생체, 세포 활동의 이미지와 달리 매우 모바일 모형 유기 체, 선 충 류 등 운동 성의 효율적 제한 때문에이 기술 격차 존재 하는 부분에서 꼬마 선 충. C. 선 충 의 작은 크기에 게 그들 훌륭한 일치 하는 마이크로-기반 연구 장치, 그리고 동원 정지에 대 한 솔루션 제시 된 미세 장치를 사용 하 여. 이 장치 고해상도 이미징에 대 한 허용, 동물 완전히입니다 (PDMS) 및 기계적 힘 또는 electrophysiological 녹음의 배달에 대 한 물리적 액세스를 제한 하는 유리에 쌌 다. 최근, 우리 고해상도 형광 현미경과 호환 되는 트래핑 디자인 공 압 액츄에이터를 통합 하는 장치를 만들었습니다. 작동 채널 벌레 트랩 채널에서 얇은 PDMS 격 막에 의해 구분 됩니다. 이 다이어 프이 램은 외부 소스에서 압력을 적용 하 여 벌레의 측으로 편향. 장치는 개별 mechanosensitive 신경을 대상 수 있습니다. 이러한 뉴런의 활성화에 몇 군데 유전자 인코딩 칼슘 지표와 고해상도. 이 문서는 그들의 터치 수용 체 신경 (TRNs)에 있는 칼슘-민감한 작동 표시등 (GCaMP6s)를 표현 하는 C. 선 충 종자를 사용 하 여 일반적인 메서드를 제공 합니다. 메서드를 조사로 TRNs도 칼슘 센서에 국한 되지 않습니다 하지만 다른 기계적으로 민감한 세포 또는 센서에 확장 될 수 있다.
Introduction
터치의 감각 동물을 그들의 환경에 대 한 중요 한 정보를 제공합니다. 적용 된 힘에 따라 터치 인식으로 무해 한, 즐거운, 또는 고통 스러운. 터치 하는 동안 조직 변형 전문된 mechanoreceptor 세포는 피부에 포함 된 가장 일반적으로 이온 채널, 수용 체 단백질을 표현 하 여 감지 됩니다. 터치와 고통 중에 이온 채널 활성화를 연결 하는 힘 인식 단계는 완전히 이해 되지 않는다. 심지어 어떻게 피부 조직을 기계적 변형 및 몸의 긴장에 있는 변화를 탐지 여부 필터 또는1,2,3스트레스에 대 한 알려져 있다. 이해에이 간격, 부분적으로, 세포 수준에서 응답을 관찰 하는 동안 정확한 기계적 stimulations 살아있는 동물의 피부 표면에 적용할 적당 한 도구의 부족에서 발생 합니다. 원자 힘 현미경 검사 법 사용 되었습니다 광범위 하 게 적용 하 고 격리 된 셀4,5 에 힘을 측정 하 고 또한 생활에 있는 Piezo1 수용 체를 활성화 하는 반면 세포6을 비슷한 실험 특히 살아있는 동물을 사용 하 여 C. 선 충, 악명 때문에 피사체의 본질적인 이동성 도전 되었습니다. 이 문제는 전통적으로 무력화 한 천 패드1,7,,89에 개별 동물을 동물 또는 외과-급 cyanoacrylate 접착제를 사용 하 여 피할. 이 접근은 생산성, 되었지만 접착 및 기계적 규격에 소프트 한 표면에 의해 동원 정지에 필요한 기술에 관련 된 제한 사항에는. 마이크로 전략 gluing에 연결 하는 합병증 중 일부를 피할 수 있는 무료 대안 이다.
선 충 류 선 충 C. 완전히 매핑된 신 경계를, 동물의 크기 때문에 적합 한 마이크로 기술 유전자 모델 생물 이다. 마이크로-기반 장치 그렇지 않으면 매우 모바일 동물 고해상도 이미징 및 관련 modulatory 신경 자극의 전달을 수행 하는 동안 제 지 될 수 있는 이점 제공 합니다. 미세의 도움으로 기술, 동물 생활 해10,11, 전체 수명12,13 이상 행동 활동의 모니터링 및 고해상도 없이 움직일 수 있습니다. 신경 활동14,15,,1617의 이미지입니다. 또한, 통증의 감각 그들의 생리1,8, 기계4,,1819, 특징 수에 필요한 많은 mechanoreceptor 신경 세포 및 분자 레벨20,,2122.
C. 선 충 6 TRNs, 동물의 앞쪽 (ALML/R 및 AVM) 중 3 개는 자극과 중 3 개는 동물의 후부 (PLML/R와 PVM) 자극을 사용 하 여 그것의 몸 벽에 부드러운 기계적 자극을 감지 합니다. 생 화 확 적인 신호에는 적용 된 힘을 시험에 필요한 이온 채널 분자는 그것의 TRNs8에 광범위 하 게 연구 되었습니다. 이 문서에서는 고정된 C. 선 충 의 피부에 정확한 기계적인 힘을 적용 하는 연구원을 가능 하 게 한 미세 플랫폼23 제공 광학 이미징에 의해 그것의 내부 조직 변형 밖으로 읽는 동안 거 위. 잘 정의 된 기계적 자극을 제시 하는 것 외에도 칼슘 과도 subcellular 해상도 mechanoreceptor 뉴런에 기록 된 고 형태학 및 해 부 기능 연관 될 수 있습니다. 하나의 동물을 보유 하 고 (그림 1 및 그림 2) 6 공 압 작동 채널 옆의 피부를 선물 하는 중앙 트래핑 채널 장치에 의하여 이루어져 있다. 6 채널 각 벌레의 6 TRNs의 기계적 자극을 제공 하는 트래핑 채널에 따라 배치 됩니다. 이러한 채널 트래핑 상공에서 외부 공기 압력 소스 (그림 1)에 의해 구동 될 수 있다 얇은 PDMS 격 막에 의해 구분 됩니다. 우리는 압력에 대해 편향 보정 하 고이 문서에 측정을 제공. 각 액추에이터 개별적으로 해결 하 고 선택의 mechanoreceptor 자극 하는 데 사용 될 수 있습니다. 압 전 구동 압력 펌프를 사용 하 여 압력을 전달 하지만 어떤 다른 장치를 사용할 수 있습니다. 우리 TRNs에서 vivo에서 활성화 하 고 운영 기기 성인 C. 선 충에 기계적 자극을 제공, 장치에 성인 동물을 로드, 칼슘 이미징 수행 입증 하 압력 프로토콜을 사용할 수 있음을 보여합니다 실험, 그리고 결과 분석입니다. 장치 제조 두 가지 주요 단계로 구성 됩니다: 1) 수-8;에서 금형을 만들기 위해 사진 평판 그리고 2) PDMS 장치를 만들기 위해 성형. 간결성, 명확성을 위해 독자 이전 게시 된 기사와 프로토콜24,25 금형 및 장치를 생산 하는 방법에 대 한 지침은 이라고 합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜에서는 미세 칩에 갇혀 거 위 피부에 정확한 기계적 자극을 제공 하는 방법을 보여 줍니다. 그것은 생물학 질문에 응답 하기 위한 물리적 자극의 통합을 촉진 하기 위한 것입니다 그리고 생물학 실험실에서 mechanobiology 연구를 합리화 하는 것을 목표로. 이 메서드는 C. 선 충에 mechanosensory 신경의 기능을 평가 하기 위해 이전 분석을 확장 합니다. 이전 양적 및 반 정량적 기법 힘<sup …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리 산드라 북 아 일 Manosalvas-Kjono, 푸 림 Ladpli 감사, 장치 설계 및 돌연변이 동물의 세대에서 파라 Memon, Divya Gopisetty, 및 베로니카 산체스에 대 한 지원. 이 연구는 지원 했다 NIH 교부 금 R01EB006745 (BLP)에, (에 MBG) R01NS092099, K99NS089942 (MK)를, (ALN)에 F31NS100318 및 받은 자금 유럽 연합의 지평선 2020 연구 및 혁신 유럽 연구 회의 (ERC)에서 프로그램 ( 부여 계약 번호 715243 MK).
Materials
| Chrome mask | Compugraphics (http://www.compugraphics-photomasks.com/) | 5'', designed in AutoCAD (Autodesk, Inc.) | |
| Chrome mask | Mitani-Micronics (http://www.mitani-micro.co.jp/en/) | 5'', designed in AutoCAD (Autodesk, Inc.) | |
| Chrome mask | Kuroda-Electric (http://www.kuroda-electric.eu/ | 5'', designed in AutoCAD (Autodesk, Inc.) | |
| 4'' Silicon wafer (B-test) | Stanford Nanofabrication Facility | ||
| SU-8 2002 | MicroChem | ||
| SU-8 2050 | MicroChem | ||
| Spin-coater | Laurell Technologies | WS-400BZ-6NPP/LITE | |
| Exposure timer | Optical Associates, Inc | OAI 150 | |
| Illumination controller | Optical Associates, Inc | 2105C2 | |
| SU-8 developer | MicroChem | ||
| 2-Propanol | Fisher Scientific | A426F-1GAL | |
| Acetone | Fisher Scientific | A18-4 | |
| Trichloromethylsilane (TCMS) | Sigma-Aldrich | 92361-500ML | Caution: TCMS is toxic and water-reactive |
| Sylgard 184 Elastomer Kit | Dow Corning | PDMS prepolymer | |
| Biopsy punch, 1 mm | VWR | 95039-090 | |
| Oxygen Plasma Asher | Branson/IPC | ||
| Small metal tubing (0.635 mm OD, 0.4318 mm ID, 12.7 mm long); gage size 23TW | New England Small Tube Corporation | NE-1300-01 | |
| Nalgene syringe filter, 0.22 μm | Thermo Scientific | 725-2520 | to filter all solution, small particles would clog the chip |
| Polyethylene tubing; 0.9652 mm OD, 0.5842 mm ID | Solomon Scientific | BPE-T50 | |
| Syringe, 1 ml | BD Scientific | 309628 | for worm trapping and release |
| Syringe, 20 ml | BD Scientific | 309661 | for gravity-based flow |
| Gilson Minipuls 3, Peristaltic pump | Gilson | to suck solutions and worms out of the chip | |
| Microfluidic flow controller, equipped with 0–800 kPa pressure channel | Elveflow | OB1 MK3 | pressure delivery |
| Water-Resistant Clear Poly- urethane Tubing, 4 mm ID and 6 mm OD | McMaster-Carr | 5195 T52 | connection from house air to pressure pump |
| Water-Resistant Clear Polyurethane Tubing, 2.6mm ID and 4mm OD | McMaster-Carr | 5195 T51 | connect pressure pump to small tubng |
| Push-to-Connect Tube Fitting for Air | McMaster-Carr | 5111K468 | metric – imperial converter |
| Straight Connector for 6 mm × 1/4″ Tube OD | McMaster-Carr | 5779 K258 | |
| Leica DMI 4000 B microscopy system | Leica | ||
| 63×/1.32 NA HCX PL APO oil objective | Leica | 506081 | |
| Hamamatsu Orca-Flash 4.0LT digital CMOS camera | Hamamatsu | C11440-42U | |
| Lumencor Spectra X light engine | Lumencor | With cyan and green/yellow light source | |
| Excitation beam splitter | Chroma | 59022bs | in the microscope |
| Hamamatsu W-view Gemini Image splitting optics | Hamamatsu | A12801-01 | to split green and red emission and project them on different areas on the camera chip |
| Emission beam splitter | Chroma | T570lpxr | in the image splitter |
| Emission filters GCamp6s | Chroma | ET525/50m | in the image splitter |
| Emission filters mCherry | Chroma | ET632/60m | in the image splitter |
Referências
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