세포외 기질의 강성은 강하게 점착 성의 세포의 여러 행동에 영향을 미칩니다. 매트릭스 강성은 조직 전반에 걸쳐 공간 다양하고, 다양한 질병 상태에서 수정을 겪습. 여기 원자 힘 현미경 microindentation를 사용하여 정상 및 fibrotic 마우스 폐 조직의 경직의 공간적 변화를 특징하는 방법을 개발할 수 있습니다.
매트릭스 강성 강력 1-3 자기편 세포의 성장, 분화 및 기능에 영향을 미칩니다. 매크로 스케일에서 인체 내에서 조직과 장기의 강성이 크기 4 몇 가지 명령을 스팬. 훨씬 적게는 강성이 조직 내에 공간 다릅니다 방법에 대해 알려진, 그리고 범위와 강성의 변화 공간적 규모는 조직 리모델링에 발생하는 질병 과정에서 무엇입니까합니다. 매트릭스 강성의 변화는 건강과 질병에서 세포 생리학에 기여하는 방법을 더 잘 이해하기 위해서, 주민등록 세포와 관련된 공간적 규모 얻은 조직 강성의 측정이 필요합니다. 이것은 폐, 매트릭스 개조 이러한 천식, 폐기종, 고혈압 및 섬유증과 같은 질병의 눈에 잘 띄는 기능이있는 매우 준수하고 탄력있는 조직에 특히 사실이다. 상주 세포와 관련된 공간적 규모 폐 실질 조직의 로컬 기계 환경을 특징하기 위해, 우리는 바로 원자 힘 현미경 (AFM) microindentation를 사용하여 신선한 murine 폐 조직의 로컬 탄성 특성을 측정하는 방법을 개발했습니다. AFM 압자, 캔틸레버와 압입 깊이의 적절한 선택과 함께,이 방법은 위상 대조 및 관심 지역의 형광 이미징과 병행하여 지방 조직 전단 계수의 측정을 수 있습니다. 조직 스트립의 체계적인 샘플링 전단 계수 지역 공간적 변화를 밝히지 조직 기계적 성질의지도를 제공합니다. 기계적 특성 및 기본 해부 및 병리 학적 기능 사이의 상관 관계는 강성이 섬유증의 매트릭스 증착에 따라 다릅니다 방법을 보여줍니다. 이 방법은 지방 조직이 기계적 성질은 공간과 질병의 진행에 걸쳐 다양 방법을 나타내기 위해 다른 부드러운 조직과 질병 프로세스를 확장할 수 있습니다.
AFM의 microindentation를 사용하여 폐 조직의 기계적 특성은 조직 경직에 microscale 변화에 대한 독특한 시각을 제공 전례 공간 해상도 (그림 4) 제공합니다. 그 유틸리티의 예를 들어, 정상 및 fibrotic 폐 조직 스트립에서 이전 매크로 규모 측정 섬유증 11,12와 elastance에서 대략 2 – 3 – 배 증가 지적했다. 반대로, AFM의 microindentation는 조직 stiffening 일부 지역은 정상적인 폐 조직 10 관찰 평균 이상의 전단 계수에 ~ 30 배 증가 최대 전시와 함께, 매우화된입니다 보여줍니다. 매트릭스 강성 이제 비판적으로 세포 기능에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으므로,이 지역의 측정은 폐암 세포의 세포 배양 연구의 biofidelity을 향상시킬 소중한 매개 변수를 제공합니다.
몇 가지 실질적인 문제는 폐 조직의 얇은 스트립를 사용하여 발생. 조직 프로필은 기본 폐포의 구조를 다음과 같이 스트립의 표면은 완벽하게 평평하지 않습니다. 샘플 표면 높이 변화가이 도전을 극복할 수 있도록 15 μm의보다 작은 경우 AFM 시스템은 자동으로 들여쓰기 동안 Z – 방향으로 끝 위치를 조정합니다. 측정은 실온이 아닌 37 ° C에서 만들어진, 그래서 그들은 사소한 것으로 예상 것입니다하지만 온도에 변화에 의한 기계적 특성의 편차는 평가할 수 없습니다. 관찰 기계적 성질에 대한 기본 폐포 벽 구조의 영향력은 현재의 광 현미경 설치와 확인하기 어렵습니다. 예를 들어, 그것은에 부합하거나 벽 비행기에 가로 방향으로 패인 때 폐포 벽은 이방성 및 다른 기계적 특성을 전시 있는지 확인하는 것이 바람직하다 것입니다. 그러나, 현재의 표본은 두꺼운되고 이미징 시스템은 그러므로 그것이 접촉의 각 지점에서 현지 폐포 벽을 방향을 결정하는 것은 불가능합니다, 3D 기능을 가지고 있지 않습니다. 마지막으로, 측정된 기계적 성질에 대한 세포 성분의 영향을 완전히 elucidated로 남아 있습니다. 여기에 설명된 방법에 어떤 노력을 구체적으로 조직의 세포 성분을 제거하기 위해 만든되지 않습니다. 그러나, 세포가 들여쓰기에 사용할 수있는 표면에서 현재는 조직 수확 및 폐포에 액세스할 수있는 조직을 절삭의 필요성 이후의 경과 시간이 주어 가능한 것으로 않을 수 있습니다. 세포를 제거하거나 실용적 세포와 매트릭스를 repopulate하고, 조직 강성의 결과 변화를 평가하기 위해 특정 실험 보증 나타납니다.
신선한 떼어낸 조직은 이러한 측정이 필요하기 때문에, 측정하기 위해 조직 수확의 경과 시간은 최소화되어야하며 샘플 ° C가 기계적 성질의 변화를 피하기 위해 4 저장해야합니다. 조직 스트립은 세척하거나 최소한 왜곡 또는 손상이 생성되도록 얼룩 때 컨테이너간에 전송됩니다 때마다 특별한 관심을 지불하여야한다. 액체의 AFM 응용 프로그램의 경우, 중요한 단계는 가능한 한 평평하게 조직을 잘라 지원 coverslip에 샘플을 고정하는 것입니다. 가능한 경우, vibratome 또는 조직 슬라이 같은 자동 sectioning 기계는 매우 균일한 두께의 조각 절단하는 데 사용할 수 있습니다. AFM 측정 직전 조직 스트립을 첨부하여 예제는 결국 coverslips에서 분리하므로 AFM 측정 경과 시간을 최소화하는 것이 중요합니다. 하나의 유용한 관찰 큰 스트립이 전표를 커버하고 작은 스트립보다 PBS에서 더 이상 기간이 위해 장소에 남아보다 안정적으로 부착하는 표시이다.
AFM의 microindentation는 5 μm의 직경 구형 팁있는 표준 0.06 N / m의 캔틸레버를 사용하는 경우 100 파 50 kPa (전단 계수)에 광범위한 스패닝 샘플을 특징하실 수 있습니다. 0.01에서 0.58 N / m에 이르는 직경 봄 상수의 0.6-12 μm의에서 상용 (예 : Novascan) 및 일반적으로 3 사용 범위 구형 유리 팁을 AFM 프로브,이 범위가 다른 스프링 상수와 프로브를 사용하여 확장하실 수 있습니다. 5 μm의 구형 팁으로, 팁 및 조직 사이의 이론적인 접촉 면적은 400-700 나노미터 들여쓰기 (그림 1A)에 대한 5-9에 대한 μm의 2입니다. 작은 또는 큰 팁은 공간 해상도 작은 또는 큰 스케일을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 피라미드 팁 또한 작은 접촉 영역을 제공하기 때문에 데이터 피팅이 팁 도형에 대한 더 복잡하지만, 매핑의 공간 해상도를 증가 AFM의 microindentation 13-16에 사용되었습니다.
이 방법은 몇 가지 한계가 주목하여야한다. 폐는 전통적으로 기계 압력 볼륨 분석 17 전체 폐의 펀치 – 들여쓰기 19,20를 사용하는 예를 들어, 비 invasively 특징되었습니다. 같은 공기 – 액체 INT의 상실을 통해 중요한 방법으로 폐 아키텍처를 변경 여기에서 설명한 것과 침입 방법일반적으로 공기 주입 폐 및 호흡기 근육의 이완에 따라 폐 부분 인플레이션을 유지 미리 스트레스의 손실 존재 erface. 이러한 제한은 폐 조직에 부착된 18 만든 모든 측정에 공통적으로하고 있습니다. 특히, 그러나, 평균 강성 쉬고 볼륨 19,20에서 그대로 폐의 펀치 – 들여쓰기를 기반으로 견적에서 크게 차이가없는 정상적인 폐 조직의 실질 (전단 계수가 ~ 0.5kPa)에서 측정. 폐 조직이 증가하는 변형과 비선형 stiffening을 전시하는 것으로 알려져 있지만,이 속성이 여기에 사용된 방법과 마이크로 규모로 지속 여부를 엄격한 방식으로 테스트하는 것은 불가능합니다. 헤르츠 모델은 샘플의 균질성을 가정합니다. 그러나, 폐 실질을 포함한 대부분의 생물 학적 물질, 공간 비늘 감소에 점점 더 이질 있습니다. 샘플의 이질는 IE deforming있는 레이어 또는 구성 요소에 따라 들여쓰기 깊이에 따라 영 계수의 변화와 같은 유물이 발생할 수 있습니다. XY – 비행기의 이질은 신중로 Dimitriadis EK 외 제안한 biomaterial의 미세에 따라 적절한 구면 팁 크기를 선택하여 제한될 수 있습니다. 8 그것은 소재로 인해 헤르츠 모델 오류를 예측하거나 해결하기 위해 훨씬 더 큰 어려움입니다 Z – 방향으로 이질. Azeloglu 외. 최근 이산 임베디드 흠도 21 이기종 기판의 탄성 특성을 특징으로 하이브리드 컴퓨팅 모델을 제안했습니다. 그들의 새로운 기술은 잠재력이 Hertzian 분석의 한계를 극복 이종 재료의 포함 속성을 계산하는 방법을 제공합니다.
생물 학적 물질은 일반적으로 시간에 의존 점탄성 동작을 표시하면서 헤르츠 모델도 절대 탄성 동작을 가정합니다. 조직 전체 점탄성 특성을 사용 들여쓰기 판매율 변화하여 얻을 수 있습니다. 중요한 것은, 정상 및 fibrotic 폐 조직의 이전 매크로 규모의 기계 테스트가 약한 주파수 폐 조직 기계적 성질의 의존성, 그리고 주파수에 걸쳐 정상과 fibrotic 조직 기계적 성질의 차이의 보존을 보여 11 테스트. 이러한 결과는 강력 AFM과 함께 하나의 들여쓰기 속도를 사용하여 기계적 성질의 측정 섬유증을 동반 조직 기계적 성질의 변화의 핵심 부분을 캡처하는 것이 좋습니다.
이 작품에 사용되는 폐 조직에 대한 0.4의 포이슨의 비율은 매크로 측정 9 시부터입니다. 불행히도, 포이슨의 마이크로 규모 비율과 질병 상태에 따라 어떤 변화가 문학에서 사용할 수 없습니다. E, E / (1 - υ 2) 또는 (1 – υ 2) / πE에 대한 대안이 (탄성 상수 K를 표시됨)으로 22 AFM의 microindentation에서 계산하고 포이슨의 비율이 알 수없는 경우 신고하실 수 있습니다. 대부분의 biomaterials에 대한 포이슨의 비율은 높은 수분 함량으로 인해 0.4-0.5의 범위에 있습니다. 범위 0.3-0.5 내에서 요소 1 / (1 - υ 2) 포이슨의 비율에 합리적인 변화가 보고된 계수에 대해서만 효과를 발휘 겸손한 이러한 단 1.10-1.33부터 다릅니다. 우리가 정상 조직에 fibrotic 조직 친척보고 그 전단 계수의 증가 포이슨의 비율 변화와 관련된 오류가 관찰 기계적 성질의 변화에 사소한 상대한다는 뜻인, 진도 몇 배입니다.
힘 – 변위 데이터의 분석에 사용할 수있는 실제 알고리즘과 코드는 특정 응용 프로그램 상태와 힘 – 변위 곡선의 다양한 인구의 후속 특성에 따라 달라질 수 있습니다. 보다 정교한 분석 관심있다면, 하나는 린 외의 작품을 참조 수 있습니다. 23. 저자는 이전에 들여쓰기 데이터 헤르츠 모델의 피팅을 자동화하는 노력을 장애가있는 합병증 중 많은 것들을 극복 알고리즘에 시너지 전략 일련의 컴파일.
여러 다른 지역이 방법의 발전과 개발에 사용할 수 있습니다. 한 항체 라벨없이 폐포 벽을 시각화에 관심이있는 경우에는, 엘라스틴과 콜라겐 모두 녹색 스펙트럼에서 autofluorescent 신호로부터 시각하실 수 있습니다. 반면에, 얇은 조직 섹션, 3D 이미징 기술, 또는 둘 모두를 사용하여 더 나은 영상은, 기계적 특성을 기본과 조직 구조를 상호 연관시킬 수있는 능력을 향상시킬 수 있습니다. 현재 방법 등 콜라겐과 laminin과 같은 세포외 기질 구성 요소의 얼룩과 시각화 수 있지만, 추가적인 노력은 특정 세포 집단을 식별하고 이러한 인구의 주변에있는 기계 microenvironments을 특성화하기 위해 세포 표면 마커를 얼룩 목표로 수 있습니다. 알트ernatively, 조직이 동일한 목표를 추구하는 마커 또는 셀 특정 단백질 혈통 찬란 – 태그를 표현 생쥐에서 수확 수 있습니다. 마지막 방법은 여기에 잘 개조 등 천식의 리모델링 고혈압의 선박 및 항공로, 폐의 다른 해부 학적 기능을 특성화에 맞는 세부 나타납니다. 더욱 강화 개발 및 잠재 자사의 현재 상태를 기반으로, AFM의 microindentation은 폐에 질병의 진행과 함께 조직의 강성의 변화에 귀중한 통찰력을 얻을 태세를 표시하지 않으며 아무의 공간 및 시간적 변화를 특성화에 가치가 의심됩니다 다른 부드러운 조직의 다양한 강성.
The authors have nothing to disclose.
우리가 그들의 지속적인 협력 A. Tager 및 B. 쉬어 감사하고, 여기에 데모 목적으로 사용되는 폐 조직을 제공. 이 작품은 건강 부여 HL – 092961 국립 연구소에 의해 지원되었다. 이 작품은 NSF 수상 항법 – 0,335,765 아래에있는 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에서 지원하는 Nanoscale 시스템 (CNS), 국립 나노기술 인프라 네트워크의 회원에 대한 센터에서 부분적으로 실시되었다. CNS는 하버드 대학에서 예술과 과학의 학부의 일부입니다.
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments |
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AFM tip | Novascan | PT.GS | 5 micron Borosilicate bead, 0.06 N/m |
Poly-L-Lysine coverslips | VWR | 354085 | BD BioCoat 12 mm round No.1 glass |
Agarose, Low Gelling Temperature | Sigma | A0701 | |
Rabbit anti-Collagen I (Rb pAb) antibody | Abcam | ab34710-100 | |
Alexa Fluor 546 goat anti-rabbit antibody | Invitrogen | A11010 | |
Rabbit anti-Laminin | Sigma | L9393 |