تعظيم الاستفادة من الفحص الجرح خدش للكشف عن تغيرات في الفئران الوسيطة اللحمية الهجرة الخلية بعد الأضرار التي كتبها القابلة للذوبان استخراج دخان السجائر
Summary
The capacity to migrate is a key function of many different cell types, including mesenchymal stromal cells (MSCs). However, quantifying alterations in migratory capacity after damage is challenging. This protocol describes an easily adaptable migration assay that uses rigorous statistics to quantify changes in MSC migratory capacity after damage.
Abstract
Cell migration is vital to many physiological and pathological processes including tissue development, repair, and regeneration, cancer metastasis, and inflammatory responses. Given the current interest in the role of mesenchymal stromal cells in mediating tissue repair, we are interested in quantifying the migratory capacity of these cells, and understanding how migratory capacity may be altered after damage. Optimization of a rigorously quantitative migration assay that is both easy to customize and cost-effective to perform is key to answering questions concerning alterations in cell migration in response to various stimuli. Current methods for quantifying cell migration, including scratch assays, trans-well migration assays (Boyden chambers), micropillar arrays, and cell exclusion zone assays, possess a range of limitations in reproducibility, customizability, quantification, and cost-effectiveness. Despite its prominent use, the scratch assay is confounded by issues with reproducibility related to damage of the cell microenvironment, impediments to cell migration, influence of neighboring senescent cells, and cell proliferation, as well as lack of rigorous quantification. The optimized scratch assay described here demonstrates robust outcomes, quantifiable and image-based analysis capabilities, cost-effectiveness, and adaptability to other applications.
Introduction
الهجرة الخلية منسقة للغاية وحيوية لكثير من العمليات الفسيولوجية مثل تطوير الأنسجة، وإصلاح، وتجديد، وكذلك العمليات المرضية مثل ورم خبيث من السرطان وتصلب الشرايين 1. فهم هجرة الخلايا أهمية خاصة بالنسبة إلى العلاجات الناشئة تستخدم لإصلاح الأنسجة التالفة وعلاج الحالات المرضية، بما في ذلك تكنولوجيات زرع الخلايا والأنسجة الاصطناعية التطعيم 2. ونظرا للاهتمام الحالية في دور الخلايا اللحمية الوسيطة (اللجان الدائمة) في التوسط في إصلاح الأنسجة 3، قياس القدرة المهاجرة من هذه الخلايا باستخدام الفحص التي هي قابلة للقياس بدقة، قابلة للتكيف، وفعالة من حيث التكلفة والفائدة. الأهم من ذلك، يجب أن يكون مثل هذا الفحص حساس بما فيه الكفاية للكشف عن التغييرات الطفيفة نسبيا في قدرة المهاجرة الخلوية بعد الضرر. الأساليب الحالية لقياس الهجرة الخلية، بما في ذلك فحوصات الصفر، المقايسات الهجرة غير المشبعة جيدا (بويدن الفصلالكهرمانات)، صفائف micropillar، والمقايسات منطقة الحظر الخلية تمتلك مجموعة من القيود في التكاثر، والتفصيل، الكمي، وفعالية التكاليف 1،4،5. مقايسة الصفر الأمثل الموصوفة هنا يوضح نتائج قوية، وقدرات التحليل قابلة للقياس الكمي والصورة القائمة، وفعالية التكاليف، والقدرة على التكيف مع تطبيقات أخرى.
وقد استخدمت المقايسات الصفر في قدرات متعددة لتقييم هجرة الخلايا وانتشارها في ظل ظروف تجريبية مختلفة 5. الفحص يستلزم بذر خلايا معينة، وتزايد لهم لإكمال أو التقاء القريب، وخدش أحادي الطبقة الناتجة بإبرة معقمة أو طرف الماصة 6. يتم إجراء تحليل الأكثر شيوعا بمقارنة عرض الصفر على نقاط زمنية متعددة في مواقع مختارة عشوائيا 7-9. على الرغم من استخدامه بارز، هو مرتبك فحص الصفر التي كتبها القضايا مع استنساخ النوعي والكمي. التباين فيجيل من الصفر لا يغير فقط المكروية من الخلايا، ولكن يمكن أيضا أن تعيق الهجرة الخلية عن طريق إتلاف سطح اللوحة والكامنة خارج الخلية مصفوفة 5. وتجرى فحوصات في كثير من الأحيان أكثر من 7-12 ساعة، ولكن لخطوط الخلايا التي تظهر الهجرة أبطأ ومرات الفحص أطول، يصبح انتشار والخلط متغير 7،10. وأخيرا، يمكن للخلايا هرمة الناتجة عن عملية الخدش الافراج عن العوامل التي تتداخل مع إشارات الخلية المطلوبة لسد الفجوة في أحادي الطبقة 1. الاستفادة المثلى من مقايسة الصفر يتطلب خلق فجوة متسقة لا تتداخل مع خصائص السطح، والتقليل من فحص طول الوقت، ومنع موت الخلايا غير المرغوب فيها خلال التلاعب. مقايسة سدادة مقرها هو الأمثل لفحص منطقة الحظر الخلية. هذا الاختبار يستخدم سدادة توضع في منتصف البئر الذي يستبعد نمو الخلايا، ولكن يسمح الخلايا المراد بالذهب في جميع أنحاء منطقة الحظر المركزية.لتقييم الهجرة، تتم إزالة السدادة، ويوفر منطقة الحظر الناتجة سطح للهجرة إلى أن يحدث. ومع ذلك، هذا الاختبار الصعب تخصيص أو التكيف مع 10 وبالنسبة لبعض التطبيقات، ويمكن هذا الأسلوب أيضا أن تكلفة باهظة.
وعلى النقيض من المقايسات الصفر ومشتقاتها، المقايسات الهجرة غير المشبعة جيدا (أو بويدن المقايسات الغرفة) تقييم الهجرة عن طريق قياس عدد الخلايا التي تتحرك من غرفة واحدة، من خلال غشاء فلتر الصغيرة التي، في غرفة تحتوي على وكلاء الكيميائي 8،11، 12. هذه التقنية قد فائدة محدودة لالخلايا الملتصقة مثل اللجان الدائمة ليلي الهجرة من خلال غشاء مسامي، وخلايا التمسك الجانب غشاء تتعرض لعوامل الكيميائي، ويمكن أن يكون من الصعب تحديد بدقة. في حين أن الاختبار هو قادرة على دراسة بعض أنماط الهجرة ثلاثية الأبعاد، أنواع الخلايا المقيدة التي أنها قادرة على تحديد بدقة الحد هجرة الخلايا فائدتها 10. بديل آخر لفحوصات الصفر يستخدم مجموعة الركن الصغير، والذي يقيس الحركة الخلوية من خلال الفضاء ثلاثي الأبعاد باستخدام قدرة الخلايا على تشوه وتهاجر إلى مجموعة كبديل. Polydimethlysiloxane (PDMS) اللدائن الشفاء أكثر من العفن دقيقة وتعامل مع الأوزون وفبرونيكتين تنتج المكروية متجانسة وغير القابلة للتحلل. ويمكن أيضا أن تختلف تباعد الصغرى دعامة حسب الحاجة لقياس قدرة الخلايا على دخول مجموعة 4. يتم إنشاء قالب من خلال الحفر العميق أيون رد الفعل من رقائق السيليكون لإنشاء نسخة السلبي لارتفاع تبلغ نسبة أبعادها مجموعة 13. بينما يتعزز فحص من قبل التفصيل في، والقدرة على تصميم نموذج الهجرة ثلاثية الأبعاد، وتحليل من خلال رؤية مباشرة من الخلايا المهاجرة، وصعوبة في خلق المصفوفات الدقيقة عمود تعوق اقتصاديا استخدامه على نطاق واسع.
مقايسة الصفر الأمثل الموصوفة في هذا البروتوكول يوفر كفاءة، كوسفعالية تي طريقة لإنتاج الخدوش تتفق التي يمكن تحليلها باستخدام البرمجيات المتاحة بحرية. بدلا من قياسات عرض بسيطة مصنوعة عبر نقطة الصفر قبل وبعد الهجرة الخلية، والبرنامج يتيح للمستخدم تحديد مجموع المساحات الصفر قبل وبعد الهجرة. هذا التقدم يحد من قضية محاولة لتحديد مكان نقطة الصفر ينبغي أن تؤخذ القياسات العرض، وإذا كان العرض من نقطة الصفر موحد على طول طول انها. بالإضافة إلى ذلك، ناقش الأمثل دقيق لأعداد الخلايا، التقاء الخلية ونوع ودرجة الأضرار التي لحقت الخلايا من أجل زيادة الاستخدام الأمثل للفحص.
Protocol
Representative Results
Discussion
بروتوكول الموصوفة هنا يوفر، طريقة موحدة قوية من الناحية الكمية لأداء وتحليل فحوصات الصفر. تستخدم المقايسات خدش بسيط روتيني في العديد من مناطق مختلفة من الدراسة لدراسة الهجرة الخلوية. ومع ذلك، عادة فحص الصفر يفتقر إلى موحدة مجموعة المتابعة وتقدير بروتوكول، مما أدى إ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We are grateful to the other members of the lab for their technical assistance in developing the CSE damage assay, and their support and advice during the development of this assay. In addition, we are grateful to the Holy Cross Fenwick Scholar Committee for their support of Nicholas Cormier, and the Holy Cross College Honors program for their support of Alexander Yeo.
Materials
| DMEM (high glucose, no added glutamine) | Life Technologies | 31053-036 | |
| Fetal Bovine Serum, Thermo Scientific HyClone | Fisher Scientific | SH3091002 | |
| Antibiotic/antimycotic, Thermo Scientific HyClone | Fisher Scientific | SV3007901 | |
| Glutamine, 200mM, Thermo Scientific HyClone | Fisher Scientific | SH3003401 | |
| TypeLE cell dissociation reagent | Life Technologies | 12563-01 | |
| Dulbecco's Phosphate Buffered Saline, Thermo Scientific HyClone | Fisher Scientific | SH3002802 | |
| Falcon standard 60mm tissue culture dishes | Fisher Scientific | 08-772B | |
| Fisherbrand Sterile 200ul pipet tips | Fisher Scientific | 02-707-502 | |
| Inverted light microscope with camera attachment | Variable | ||
| ImageJ software | http://imagej.nih.gov/ij/ | ||
| MRI_Wound_Healting plugin | http://dev.mri.cnrs.fr/projects/imagej-macros/wiki/Wound_Healing_Tool | ||
| Statistical analysis software | Microsoft Excel |
References
- Gough, W., Hulkower, K. I., Lynch, R., et al. A quantitative, facile, and high-throughput image-based cell migration method is a robust alternative to the scratch assay. J. Biomol. Screen. 16 (2), 155-163 (2011).
- Ridley, A. J., Schwartz, M. A., Burridge, K., et al. Cell migration: integrating signals from front to back. Science. 302 (5651), 1704-1709 (2013).
- Sharma, R. R., Pollock, K., Hubel, A., McKenna, D. Mesenchymal stem or stromal cells: a review of clinical applications and manufacturing practices. Transfusion. 54 (5), 1418-1437 (2014).
- Booth-Gauthier, E. A., Du, V., Ghibaudo, M., et al. Hutchinson-Gilford progeria syndrome alters nuclear shape and reduces cell motility in three dimensional model substrates. Integr. Biol. (Camb). 5 (3), 569-577 (2013).
- Keese, C. R., Wegener, J., Walker, S. R., Giaever, I. Electrical wound-healing assay for cells in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101 (6), 1554-1559 (2004).
- Pinco, K. A., He, W., Yang, J. T. Alpha4beta1 Integrin Regulates Lamellipodia Protrusion Via a Focal Complex/focal Adhesion-Independent Mechanism. Mol. Biol. Cell. 13 (9), 3203-3217 (2002).
- Fronza, M., Heinzmann, B., Hamburger, M., Laufer, S., Merfort, I. Determination of the wound healing effect of Calendula extracts using the scratch assay with 3T3 fibroblasts. J. Ethnopharmacol. 126 (3), 463-467 (2009).
- Justus, C. R., Leffler, N., Ruiz-Echevarria, M., Yang, L. V. In vitro cell migration and invasion assays. J. Vis. Exp. (88), (2014).
- Walter, M. N., Wright, K. T., Fuller, H. R., MacNeil, S., Johnson, W. E. Mesenchymal stem cell-conditioned medium accelerates skin wound healing: an in vitro study of fibroblast and keratinocyte scratch assays. Exp. Cell Res. 316 (7), 1271-1281 (2010).
- Goetsch, K. P., Niesler, C. U. Optimization of the scratch assay for in vitro skeletal muscle wound healing analysis. Anal. Biochem. 411 (1), 158-160 (2011).
- Chung, C. A., Chen, C. Y. The effect of cell sedimentation on measuring chondrocyte population migration using a Boyden chamber. J. Theor. Biol. 261 (4), 610-625 (2009).
- Fabbri, M., Bianchi, E., Fumagalli, L., Pardi, R. Regulation of lymphocyte traffic by adhesion molecules. Inflamm. Res. 48 (5), 239-246 (1999).
- Saez, A., Ghibaudo, M., Buguin, A., Silberzan, P., Ladoux, B. Rigidity-driven growth and migration of epithelial cells on microstructured anisotropic substrates. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104 (20), 8281-8286 (2007).
- Paxson, J. A., Gruntman, A. M., Davis, A. M., et al. Age Dependence of Lung Mesenchymal Stromal Cell Dynamics Following Pneumonectomy. Stem Cells Dev. 22 (24), 3214-3225 (2013).
- McQualter, J. L., Brouard, N., Williams, B., et al. Endogenous fibroblastic progenitor cells in the adult mouse lung are highly enriched in the sca-1 positive cell fraction. Stem Cells. 27 (3), 623-633 (2009).
- Hoffman, A. M., Paxson, J. A., Mazan, M. R., et al. Lung-Derived Mesenchymal Stromal Cell Post-Transplantation Survival, Persistence, Paracrine Expression, and Repair of Elastase-Injured Lung. Stem Cells Dev. 20 (10), 1779-1792 (2011).
- Beane, O. S., Fonseca, V. C., Cooper, L. L., Koren, G., Darling, E. M. Impact of aging on the regenerative properties of bone marrow-, muscle-, and adipose-derived mesenchymal stem/stromal cells. PLoS One. 9 (12), e115963 (2014).
- Chen, L., Ge, Q., Tjin, G., et al. Effects of cigarette smoke extract on human airway smooth muscle cells in COPD. Eur. Respir. J. 44 (3), 634-646 (2014).
- Itahana, K., Campisi, J., Dimri, G. P. Methods to detect biomarkers of cellular senescence: the senescence-associated beta-galactosidase assay. Methods Mol. Biol. 371, 21-31 (2007).
