3D 볼륨 뷰 이미지를 사용한 터널링 나노튜브의 검출 및 정량화
Summary
터널링 나노 튜브 (TNT)는 주로 인접한 세포를 연결하여 세포 간 통신을 촉진하는 개방형 F- 액틴 막 나노 튜브입니다. TNT를 다른 세포 돌출부와 구별하는 주목할만한 특징은 세포 사이의 나노 튜브의 호버링 특성입니다. 여기에서는 컨포칼 z-스택 이미지의 3D 볼륨 뷰를 구성하여 TNT의 특성을 분석합니다.
Abstract
최근의 발견에 따르면 세포는 나노 크기의 액틴-막 도관, 즉 “터널링 나노 튜브”(TNT)를 통해 직접적이고 장거리 세포 간 전달을 수행합니다. TNT는 50nm에서 1μm 사이의 직경을 가진 이웃 세포 사이의 연속성을 매개하는 개방형 지질 이중층으로 둘러싸인 막 확장으로 정의됩니다. TNT는 처음에는 신경 세포에서 입증되었지만 연속적인 연구에서 신경 퇴행성 질환, 바이러스 감염 및 암과 같은 여러 세포 유형 및 질병에서 TNT의 존재가 밝혀졌습니다. 여러 연구에서 이웃 세포 사이의 폐쇄형, 전기 결합 막 나노 구조를 TNT 또는 TNT 유사 구조로 언급했습니다.
종말점에서의 막 연속성 측면에서 미세 구조의 해명은 기술적으로 어렵습니다. 또한, 세포-세포 통신에 대한 연구는 특정 마커가 없기 때문에 종래의 방법을 사용한 TNT의 특성 분석 측면에서 도전적이다. TNT는 주로 F- 액틴 기반의 개방형 막 돌출부로 정의됩니다. 그러나 한 가지 주요 한계는 F- 액틴이 모든 유형의 돌출부에 존재하여 TNT를 다른 돌출부와 구별하기가 어렵다는 것입니다. F- 액틴 기반 TNT의 주목할만한 특징 중 하나는 이러한 구조가 지층을 건드리지 않고 두 세포 사이를 맴돌고 있다는 것입니다. 따라서, 별개의 F- 액틴 염색 TNT는 세포 사이의 호버링에 기초하여 필로 포디아 및 신경 돌기와 같은 다른 돌출부와 편리하게 구별 될 수있다.
우리는 최근 액틴 의존성 엔도 사이토 시스를 통한 올리고머 아밀로이드 -β1-42 (oAβ)의 내재화가 활성화 된 p21- 활성화 키나아제 -1 (PAK1)을 자극하여 SH-SY5Y 신경 세포 사이에서 phospho-PAK1과 공동 발현되는 F- 액틴 함유 TNT의 형성을 매개한다는 것을 보여주었습니다. 이 프로토콜은 oAβ 처리된 신경 세포에서 F-액틴 및 포스포-PAK1-면역염색 막 돌출부의 캡처된 z-스택 이미지에서 TNT를 식별하고 특성화하기 위한 3D 부피 분석 방법을 설명합니다. 또한, TNT는 F- 액틴 – 및 β -III 튜 불린 – 면역 염색 막 도관을 기반으로 한 신경 돌기 및 신경 세포 파생물을 개발하는 것과 구별된다.
Introduction
터널링 나노 튜브 (TNT)는 F- 액틴 기반의 주로 개방형 막 도관이며화물 및 세포 기관의 세포 간 이동에 중요한 역할을합니다1. TNT의 독특한 특징은 지층과의 접촉없이 이웃 세포를 연결한다는 것입니다. 길이는 10-300 μm 이상이며 직경은 50 nm에서 1 μm 2,3 사이입니다. TNT는 일시적인 구조이며 수명은 몇 분에서 몇 시간 사이입니다. TNT는 PC12 뉴런 세포1에서 처음 입증되었습니다. 나중에 수많은 연구에서 시험관 내 및 생체 내여러 세포 유형에서 존재하는 것으로 나타났습니다 4,5. 여러 연구에서 신경 퇴행성 질환, 암 및 바이러스 감염 6,7,8과 같은 다양한 질병 모델에서 TNT의 병리학 적 중요성이 밝혀졌습니다.
TNT의 구조적 이질성은 다양한 세포 시스템에서 여러 연구에 의해 입증되었습니다9. 차이점은 세포 골격 구성, 형성 메커니즘 및 이송 된화물 유형을 기반으로합니다10. 주로, 두 개의 인접한 세포 사이를 맴돌고 세포 기관을 전달하는 개방형 F- 액틴 양성 막 연속성은 TNT11로 구성된 것으로 간주됩니다. 그러나 TNT 형성에서 관찰되는 명확성 또는 다양성의 부족은 TNT 특이 적 마커를 개발하는 데 어려움을 더합니다. 따라서, 종래의 검출 방법에 의해 TNT 구조를 동정하고, 개방형 및 폐쇄 단부 돌출부(12)의 관점에서 막 나노튜브를 구별하는 것은 어렵다. 그러나, 두 세포 사이의 F-액틴 막 돌출부로서 호버링하는 TNTs의 특성은 종래의 이미징 기술을 사용하여 식별하기가 상대적으로 쉽고 실현 가능하다. 필로포디아 및 등쪽 필로포디아와 같은 다른 액틴 기반 세포 돌출부는 특히 세포가 고정된 경우 멀리 있는 두 세포 사이를 맴돌 수 없습니다. 참고로, 폐쇄되고 전기적으로 결합되어 발달하는 신경돌기는 종종 TNT 유사 구조(13)라고 불립니다.
F- 액틴은 TNT 형성에 중요한 역할을하는 것으로 알려져 있으며, 여러 연구에서 F- 액틴 억제제 사이토 칼라 신 D가 TNT14,15의 형성을 억제한다는 것이 밝혀졌습니다. 대조적으로, 미세소관의 억제제는 TNT 형성16에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 지난 2 년 동안 TNT가 병리학 및 종양 내성 및 치료의 확산에서 중요한 역할을한다는 여러 보고서가있었습니다17. 따라서 TNT 특성화를 위한 더 나은 기술에 대한 끝없는 요구가 있습니다.
TNT의 특정 마커가 부족하고 형태 및 세포 골격 구성의 다양성으로 인해 고유 한 특성 분석 방법을 개발하기가 어렵습니다. 일부 연구는 자동 이미지 검출 및 TNT 정량화 기술을 사용했습니다18,19. 그러나, TNT의 검출 및 정량화를 위한 자동 이미지 분석에 비해 현재의 3D 부피 수동 분석 방법의 몇 가지 장점이 있다. 종종 훈련된 인간의 눈은 자동화된 이미지 감지 방법보다 이러한 호버링 나노 구조를 더 쉽게 발견할 수 있습니다. 또한 자동 검출 방법은 알고리즘 전문 지식이 부족한 실험실에서 구현하기 어려울 수 있습니다. 현재의 방법은 정밀도와 재현성으로 인해 연구자들에 의해 널리 채택 될 수 있습니다.
최근 연구에서 우리는 oAβ가 PAK1 매개 액틴 의존성 엔도 사이토 시스 메커니즘을 통해 신경 세포에서 TNT의 생물 발생을 촉진한다는 것을 보여주었습니다12. oAβ-유도 TNT는 또한 활성화된 PAK1 (또는 포스포-PAK1)을 발현한다. 우리는 oAβ 유도, F- 액틴 및 포스 포 -PAK1- 면역 염색 TNT를 구별하기 위해 3D 부피보기 이미지 재구성 방법을 개발했습니다. β-III 튜 불린 양성, 발달 신경돌기는 종종 TNT와 같은 호버링 구조와 유사합니다20. 따라서 우리는 F- 액틴 기반 TNT를 β-III 튜 불린 양성 신경 돌기 및 기타 TNT 유사 돌출부와 구별했습니다. 3D 볼륨 뷰 이미지는 지층 위로 마우스를 가져가고 인접한 두 셀 사이에 연결된 상태를 유지하는 특성을 기반으로 TNT를 식별하는 데 사용되었습니다. 이 백서에서는 컨포칼 z-스택 이미지를 사용하여 액틴 함유 막 도관 또는 TNT를 식별 및 검출하고, 마지막으로 3D 볼륨 뷰 재구성 이미지에서 식별된 구조를 수동으로 정량화하는 방법에 대해 설명합니다. 제시된 방법은 개방형 적절한 TNT와 폐쇄형 TNT 유사 구조를 구별할 수 없습니다. 이 방법은 평평한 지층에서 시험 관 내 2D 세포 배양에서 TNT를 식별하는 데 도움이 됩니다. 그러나 이 방법은 구현 및 재현이 용이하며 액틴계 TNT만을 정밀하게 정량하고 신경돌기 및 β튜불린 양성 TNT 유사 구조와 구별하는 데 널리 사용될 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
지난 2 년 동안 여러 연구자들은 TNT18의 구조를 이해하고 특성화하려고 노력해 왔습니다. 특정 마커의 부족은 진행을 방해하고 TNT를 식별, 특성화 및 정량화하는 데 사용할 수 있는 편리하고 표준화된 방법에 대한 수요가 증가하고 있습니다. TNT는 두 세포 사이를 맴도는 F-액틴 기반 막 도관으로 정의됩니다. 연구에 따르면 β 튜 불린 양성, 폐쇄 종말, 발달 신경 돌기는 두 개의 먼 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
D.K.V와 A.R은 TMA Pai 펠로우십에 대해 Manipal Academy of Higher Education에 감사드립니다. SERB-SRG(#SRG/2021/001315)에 대한 인도 과학 및 공학 연구 위원회와 인도 의학 연구 위원회(#5/4-5/Ad-hoc/Neuro/216/2020-NCD-I) 및 인도 마니팔에 있는 마니팔 고등 교육 아카데미의 교내 기금에 감사드립니다. JNCASR (Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research, India) 공초점 시설과 B. Suma에 JNCASR의 컨포칼 현미경에 감사드립니다.
Materials
| 35 mm dish with 14 mm well size made of #1.5 cover slip | Cellvis | D35-14-1.5-N | Imaging dish used to seed cells for staining experiments |
| Aβ (1-42) 1 mg | AnaSpec | #64129 | Oligomers of amyloid beta to treat the cells |
| Alexa flour 488 Goat Anti-rabbit IgG (H+L) | Invitrogen | A11070 | Secondary antibody for phospho-PAK1 |
| Biological Safety Cabinet | Thermo Scientific (MSC Advantage) | 51025411 | Provide aspetic conditions duirng cell culture |
| CO2 Incubator | Thermo Electron Corporation (Heraeus Hera Cell 240) | 51026556 | For growing cells at or near body temperature |
| Confocal Laser Scanning Microscope | ZEISS (Carl Zeiss) | LSM 880 | Able to generate three-dimensional images of large specimen at super-resolution |
| DABCO [1,4-Diazobicyclo-(2,2,2) octane] | Merck | 8034560100 | Anti-bleaching reagent |
| DAPI (4′,6-diamidino-2-phenylindole) | Sigma | D9542-1MG | Neuclear stainer |
| DMEM media | Gibco | 11965092 | Used for the preparation of 100uM of Aβ (1-42) |
| DMEM/F12 (1:1 mixture of DMEM and Ham’s F12) | Gibco | 12500062 | Culture media for SH-SY5Y |
| DMSO (Dimethyl sulphide) Cell culture grade | Cryopur | CP-100 | Cell culture grade used as dissolving agent for Retinoic acid |
| DMSO (Dimethyl sulphide) Molecular grade | Himedia | MB058 | Used as one of the dissolving agent for the lyophilized Aβ (1-42) |
| Fetal Bovine Serum | Gibco | 16000044 | Major supplement for Culture media (US origin) |
| Formalin Fixative (Neutral buffered 10%) | Sigma Aldrich | HT5014-120ML | Component in the Karnovsky's fixative solution |
| Glutaraldehyde (Grade I, 25% in H2O) | Sigma | G5882 | Component in the Karnovsky's fixative solution |
| HFIP (1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol ) solution | TCI | H024 | Used to dissolve Aβ (1-42) 1 mg |
| Image Processing/ Analysis Software: FIJI (ImageJ) | National Institute of Health (NIH) | Used to process/analyze the images and to differentiate the TNTs from neurites using its plugin named "volume viewer". | |
| Lyophilizer | Christ, Alpha | 2.4 LDplus | 0.05 mg aliquots of Aβ (1-42) can be stored in -20 °C after lyophilization only |
| Penicillin-Streptomycin-Neomycin Mixture | Thermo fisher Scientific | 15640055 | Antibiotic mixture |
| Phalloidin-iFlor 555 | Abcam | ab176756 | F-actin binding stain |
| Phospho-PAK1 (Thr423) /PAK2 (Thr402) [Rabbit] | CST | #2601 | Primary antibody |
| Polyclonal Antibody to Tubulin Beta 3 (TUBb3) | Cloud clone | PAE711Hu01 | Primary antibody |
| Retinoic acid | Sigma-Aldrich | R2625-50MG | Differentiating reagent |
| Saponin | Merck | 8047-15-2 | Detergent used in the Incubation buffer in immunostaining |
| Water bath sonicator (Quart, Drain valve Heater) | Ultrasonic Cleaner | 3.0 L/3.2 | Sonicator used to dissolve Aβ (1-42) stock, after DMSO adding to it during the preparation of 100 µM Aβ (1-42) |
| ZEN Microscopy software | ZEISS (Carl Zeiss) | Imaging software to acquire confocal microscopy images with smart automation |
References
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