מישורי צבע מערכת דיפוזיה לחקירת Chemotaxis בקולגן מטריקס 3D
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
התנועה העדיפה תאי כיוון מפל ריכוזים, הידוע בשם chemotaxis, ממלאת תפקיד חשוב בתהליכים פתולוגיים ופיסיולוגיים בגוף. דוגמאות כאלה הן ריפוי עור ורירית פצע 1, המורפוגנזה 2, דלקת 3, ו4,5 צמיחת גידול. כמו כן, הוכיח כי תאים סרטניים יכולים לנדוד דרך שתי אסטרטגיות תא-ההגירה האישיות וקולקטיביות 6. יתר על כן, מנגנוני חוסר יציבות diffusional יכולים לגרום להפרדה של תאים בודדים או התקבצו מגוף / אובייקט tumorous ואז יכול לעלות לכיוון מקור של חומרים מזינים ובכך לפלוש אזורים ורקמות 7 רחבים יותר.
יתר על כן, הוכיח כי מנגנוני הגירה מגוונים יכולים להיות פעילים ב2D וב3D, בשל תפקידים שונים של מולקולות הידבקות 8. לכן, מעבר לרלוונטי מבחינה פיזיולוגית במבחני מבחנה לחקור תנועתיות תא בmeasureablדואר ודרך פשוטה הוא בעל משמעות בהבנת תנועת תא תופעות 9. למרבה הצער, הקושי בניתוח נדידת תאים, assay chemotaxis כימות מקיף בדרך כלל דורש שיטה מייגע ארוכה, שנוסדה על המדידה של דגמי תנועתיות תא ותופעות תחבורה נטולי פניות.
גישות ניסיוניות עבר לחקור chemotaxis תא כוללות תא וידן 10 ומתחת assay agarose 11. עם זאת, בתוך מבחני המוקדמים אלה, ניסויי נדידת תאים לא לפקח על התנועה בכבוד לעת. יותר, וחשוב, הדרגתיים ריכוז המשמש לניסויים אינם מוגדר היטב או מובן לחלוטין תוך שמירת האיתות ללא יותר מכמה שעות בלבד. יתר על כן, ניסיונות קאמריים chemotaxis מוקדם מוגבלים נדידת תאים לשני ממדים ולא לאפשר אחד כדי לפקח על קינטיקה של הגירה 12. מסתכל על חדר בוידן, assay נקודות קצהלא יאפשר לחוקר לבחון הגירה מבחינה ויזואלית ולא יכל להבחין ישירות chemotaxis (תנועה כיוונית) מchemokinesis (תנועה אקראית). בנוסף, מספר משתנה-הבדלים בגודל הנקבובית ועובי של קרומי תוצרת קאמריים קשה מאוד לשחזר בקלות והסתירו את התגובה של תאים זרות לכמוקינים 13,14.
עם ההבנה החדשה של מיקרופלואידיקה, תאים חדשים ומיקרו-מכשירים נחקרו ככלי לחקור תנועת תא תחת תנאי זרימת ביניים או Chemotaxis 15,16. תחת מכשירים החדשים אלה, מדדי תא חדשים הוכנסו ונחקרו, כמו ההשפעה של לחץ גזירה על תא 17,18. לרוע המזל, תאי chemotaxis microfluidic עבר ובהווה מוגבלים מחקרים של נדידת תאים למצעים-2D נסיגה חשובה שכן רבים תהליכים ביולוגיים, כוללים פלישת תאים סרטניים וגרורות, וimנדידת תאי mune, כרוכה הגירת 3D.
תאים-בי תצפית ישירה פתרון chemoattractant הוא במגע עם ג'ל 3D המכיל תאים יש גם דיווחו גם 19,20. יש תאים אלה שני תאים, אחד המכיל chemoattractant ואחד המכיל תאים, הם הצטרפו לצד אחד את השני בצורה אופקית 21 או כטבעות קונצנטריות 22. מערכות אלה הצביעו בכיוון הנכון, אבל לא שומרות מערכת chemotaxis לתקופה ארוכה של זמן.
יתר על כן, חוקרים בחנו גם diffusivity דרך קרומי תאי קולגן בדיאליזה, כמו גם דיפוזיה של מולקולות נותב דרך דגימות קולגן נתון ללחץ ההידרוסטטי 23-25. ניסויי דיפוזיה חלק בג'ל קולגן להסתמך על שינויים פיזיים וכימיים של ג'ל באמצעות שדות מגנטיים והתאגדות כימית 26. שיטה פופולרית לדוגמנות diffusivity בcollaרקמות genous מסתמכת על ההדמיה הקרינה של photobleaching נקודה הרציף. שיטה זו חשפה אנאיזוטרופיה במקדמי דיפוזיה של מולקולות גדולות ברקמות collagenous בכיוון. ובכל זאת, photobleaching נעשה שימוש בסחוס במפרק ולא קולגן מטריצות. בעוד דומה, חייבים להתבצע ניסויי דוגמנות צורך בהבנה במיוחד מקדם דיפוזיה של ג'ל קולגן. וחשוב יותר, המערכות לא לנצל שיטה למדידת דור כוח התא.
למרבה הצער, רוב המערכות נראות חסרות מרכיבים מרכזיים אחד או שתיים למערכת אידיאלית: מאפשרים מעקב של תא, הבנת שיפוע דיפוזיה עם גורם chemotactic באמצעות המטריצה, להגדיר פשוט יחסית עם הקלות של שחזור, מזעור תאי תאים אינטראקציות, ואת היכולת למדוד יחידות ממדיות לכימות (כלומר, מהירות, כוח, ריכוז ספציפי). Moghe et al. </eמ '> 27 הציע מערכת שמלאה את רוב הדרישות אלה שבתאים היו בתחילה מפוזרים בג'ל ולא התרכזו בשטח המסנן, אבל היה קשה למדוד כוחות שהתא מייצר.
למטרה זו, אנו מציגים מערכת דיפוזיה השיפוע מישוריים לחקור chemotaxis במטריצת קולגן 3D, המאפשר לאדם להתגבר על מגבלות תא דיפוזיה מודרניות של מבחני קיימים, המבוסס על מיקרוסקופיה זמן לשגות, בשילוב עם טכניקות ניתוח תמונה למדוד תא כוחות בסביבת 3D. פרוטוקול זה מספק דרך פשוטה, עדיין חדשנית של יצירת תא דיפוזיה פשוטה 3D שיכול לשמש כדי לחקור chemotaxis 3D בתאים שונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
השלבים הקריטיים ביותר לניסויי דיפוזיה מוצלחים עם או בלי תאים הם: כראוי הקמת ההרכבה העובש; פיתוח המיומנות הידנית הנחוצה כדי למנוע נזק במהלך החילוץ של coverslips הידרופובי; הבטחה למצוא קו זינוק ליניארי טוב מאוד כדי לחשב את מקדם הדיפוזיה כראוי; לתקן חישובים ניסיוניים של שני …
Disclosures
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 |
References
- Adzick, N. S. The Molecular and Cellular Biology of Wound Repair. Ann Surg. 225 (2), 236 (1997).
- Reddi, A. H. Bone morphogenetic proteins: an unconventional approach to isolation of first mammalian morphogens. Cytokine Growth F. R. 8 (1), 11-20 (1997).
- Coussens, , Werb, Z, L. M., Werb, Z. Inflammation and cancer. Nature. 420 (6917), 860-867 (2002).
- Vital-Lopez, F. G., Armaou, A., Hutnik, M., Maranas, C. D. Modeling the effect of chemotaxis on glioblastoma tumor progression. AIChE J. 57 (3), 778-792 (2011).
- Hughes-Alford, S. K., Lauffenburger, D. A. Quantitative analysis of gradient sensing: towards building predictive models of chemotaxis in cancer. Curr. Opin. Cell Biol. 24 (2), 284-291 (2012).
- Friedl, P., Gilmour, D. Collective cell migration in morphogenesis, regeneration and cancer. Nat. Rev. Mol Cell Bio. 10 (7), 445-457 (2009).
- Cristini, V. Morphologic Instability and Cancer Invasion. Clin. Cancer Res. 11 (19), 6772-6779 (2005).
- Lammermann, T., et al. Rapid leukocyte migration by integrin-independent flowing and squeezing. Nature. 453 (7191), 51-55 (2008).
- Parent, C. A., Devreotes, P. N. A cell’s sense of direction. Science. 284 (5415), 765-770 (1999).
- Boyden, S. The chemotactic effect of mixtures of antibody and antigen on polymorphonuclear leucocytes. J. Exp. Med. 115, 453-466 (1962).
- Nelson, R. D., Quie, P. G., Simmons, R. L. Chemotaxis under agarose: a new and simple method for measuring chemotaxis and spontaneous migration of human polymorphonuclear leukocytes and monocytes. J. Immunol. 115 (6), 1650-1656 (1975).
- Rosoff, W. J., McAllister, R., Esrick, M. A., Goodhill, G. J., Urbach, J. S. Generating controlled molecular gradients in 3D gels. Biotechnol. Bioeng. 91 (6), 754-759 (2005).
- Wells, A., Kassis, J., Solava, J., Turner, T., Lauffenburger, D. A. Growth factor-induced cell motility in tumor invasion. Acta Oncol. 41 (2), 124-130 (2002).
- Wilkinson, P. C. Assays of leukocyte locomotion and chemotaxis. J. Immunol. Methods. 216 (1-2), 139-153 (1998).
- Bonvin, C., Overney, J., Shieh, A. C., Dixon, J. B., Swartz, M. A. A multichamber fluidic device for 3D cultures under interstitial flow with live imaging: development, characterization, and applications. Biotechnol. Bioeng. 105 (5), 982-991 (2010).
- Noo, L. J., et al. Neutrophil chemotaxis in linear and complex gradients of interleukin-8 formed in a microfabricated device. Nat. Biotechnol. 20 (8), 826-830 (2002).
- Shao, J., et al. Integrated microfluidic chip for endothelial cells culture and analysis exposed to a pulsatile and oscillatory shear stress. Lab Chip. 9 (21), 3118-3125 (2009).
- Haessler, U., Kalinin, Y., Swartz, M. A., Wu, M. An agarose-based microfluidic platform with a gradient buffer for 3D chemotaxis studies. Biomed. Microdevices. 11 (4), 827-835 (2009).
- Friedl, P., Wolf, K. Tumour-cell invasion and migration: diversity and escape mechanisms. Nat. Rev. Cancer. 3 (5), 362-374 (2003).
- Sixt, M., Lammermann, T. In vitro analysis of chemotactic leukocyte migration in 3D environments. Methods Mol. Biol. 769, 149-165 (2011).
- Zigmond, S. H. Ability of polymorphonuclear leukocytes to orient in gradients of chemotactic factors. J. Cell Biol. 75 (2 Pt 1), 606-616 (1977).
- Zicha, D., Dunn, G. A., Brown, A. F. A new direct-viewing chemotaxis chamber. J. Cell. Sci. 99 (Pt 4), 769-775 (1991).
- Gilbert, D. L. Macromolecular diffusion through collagen membranes. Int. J. Pharm. 47 (1-3), 79-88 (1988).
- Ramanujan, S., et al. Diffusion and convection in collagen gels: implications for transport in the tumor interstitium. Biophys. J. 83 (3), 1650-1660 (2002).
- Weadock, K., Silver, F. H., Wolff, D. Diffusivity of 125I-calmodulin through collagen membranes: effect of source concentration and membrane swelling ratio. Biomaterials. 7 (4), 263-267 (1986).
- Erikson, A., Andersen, H. N., Naess, S. N., Sikorski, P., Davies, C. d. L. Physical and chemical modifications of collagen gels: impact on diffusion. Biopolymers. 89 (2), 135-143 (2008).
- Moghe, P. V., Nelson, R. D., Tranquillo, R. T. Cytokine-stimulated chemotaxis of human neutrophils in a 3-D conjoined fibrin gel assay. J. Immunol. Methods. 180 (2), 193-211 (1995).
- Sundd, P., et al. Live cell imaging of paxillin in rolling neutrophils by dual-color quantitative dynamic footprinting. Microcirculation. 18 (5), 361-372 (2011).
- Sanders, E. R. Aseptic Laboratory Techniques: Volume Transfers with Serological Pipettes and Micropipettors. J. Vis. Exp. (63), 2754 (2012).
- Stephenson, F. H. . Calculations for Molecular Biology and Biotechnology: A Guide to Mathematics in the Laboratory 2e. , (2010).
- Bar-Kochba, E., Toyjanova, J., Andrews, E., Kim, K., Franck, C. A Fast Iterative Digital Volume Correlation Algorithm for Large Deformations. Exp. Mech. In press, (2014).
- Shenoy, V., Rosenblatt, J. Diffusion of Macromolecules in Collagen and Hyaluronic Acid, Rigid-Rod-Flexible Polymer Composite Matrixes. Macromolecules. 28 (26), 8751-8758 (1995).
- Leddy, H., Guilak, F. Site-Specific Molecular Diffusion in Articular Cartilage Measured using Fluorescence Recovery after Photobleaching. Ann. Biomed. Eng. 31 (7), 753-760 (2003).
