Förster resonance energy transfer (FRET) imaging is a powerful tool for real-time cell biology studies. Here a method for FRET imaging cells in physiologic three-dimensional (3D) hydrogel microenvironments using conventional epifluorescence microscopy is presented. An analysis for ratiometric FRET probes that yields linear ratios over the activation range is described.
Imaging di Förster trasferimento di energia di risonanza (FRET) è un potente strumento per l'esame biologia cellulare in tempo reale. Studi utilizzando FRET comunemente impiegano cultura bidimensionale (2D), che non imitano tridimensionale (3D) microambiente cellulare. Un metodo per eseguire le emissioni spento l'imaging FRET usando la microscopia convenzionale widefield epifluorescenza delle cellule all'interno di un ambiente idrogel 3D è presentato. Ecco un metodo di analisi per sonde FRET raziometriche che produce rapporti lineare nell'ambito delle di attivazione della sonda è descritta. La misurazione dei livelli intracellulari adenosina monofosfato ciclico (cAMP) è dimostrato in condrociti sotto stimolazione forskolina utilizzando una sonda per EPAC1 attivazione (ICUE1) e la capacità di rilevare le differenze di cAMP segnalazione dipende dal tipo di materiale idrogel, qui un idrogel photocrosslinking (PC-gel, polietilene glicole dimetacrilato) e un idrogel thermoresponsive (TR-gel). Rispetto ai metodi 2D FRET,questo metodo richiede poco lavoro supplementare. Laboratori già utilizzano immagini FRET in 2D possono facilmente adottare questo metodo per eseguire studi cellulari in un microambiente 3D. Può inoltre essere applicato a vaglio di farmaci ad alto rendimento in microtissues 3D ingegnerizzati. Inoltre, è compatibile con le altre forme di immagini FRET, come la misurazione anisotropia e di imaging di fluorescenza vita (FLIM), e con le piattaforme avanzate di microscopia confocale utilizzando, ad impulsi, o l'illuminazione modulata.
segnalazione cellulare è al tempo stesso complessa e consequenziale per numerosi campi, tra cui la farmacologia, l'ingegneria dei tessuti e della medicina rigenerativa. strumenti di sperimentazione utili sono necessari per migliorare la nostra comprensione della biologia cellulare e di sviluppare materiali ottimali per la rigenerazione dei tessuti. Förster trasferimento di energia di risonanza (FRET) di imaging è uno strumento essenziale che consente l'analisi di attivazione del recettore, la conformazione molecolare, e le interazioni supramolecolari (ad es., Proteine / DNA complessazione) in cellule vive. FRET è un tipo di trasferimento di energia non radiativa tra fluorofori 1. Ha una efficienza che è inversamente proporzionale alla sesta potenza della distanza tra un fluoroforo donatore e accettore fluoroforo. Quindi, può fornire informazioni sulla distanza spaziale tra due molecole differenti o tra le regioni di una molecola alla scala nanometrica (tipicamente 1 – 10 nm) 2. I fluorofori donatore e accettore possono essere diversi mtipi olecule (etero-FRET), in cui il donatore ha la emissione di energia più elevata (più corta lunghezza d'onda), o dello stesso tipo (omo-FRET). FRET di immagini può essere eseguita su cellule fissate o vivi, ma in generale cellule fissate sono utilizzati per l'imaging di interazioni molecolari ad alta risoluzione spaziale quando i sistemi confocale ad alta velocità sono disponibili. Cellule vive sono utilizzati per studiare le interazioni ei processi che sono inibiti o alterato da fissaggio, come ad esempio il tempo reale di segnalazione intracellulare di risposta 3.
studi cellule vive che impiegano FRET uso di immagini bidimensionali (2D) colture cellulari in parte a causa della semplicità e minore sfondo (nessuna emissione di fuori delle cellule piane). Tuttavia, culture 2D alterano anche numerosi processi cellulari rispetto al microambiente fisiologica e tridimensionali (3D) coltura 4,5. Ad esempio, la cella originaria cellula e cellula di interazioni della matrice extracellulare sono drasticamente alterato nella cultura 2D che porta alle easglia cambiamenti nella morfologia cellulare e la polarità 6 osservato. Microdomini di membrana (ad es., Caveolae e lipidi zattere) e segnalazione dei recettori sono fortemente regolati dalla cultura ambiente, in parte perché si legano i componenti del citoscheletro 7,8 e la struttura delle cellule e la forma del citoscheletro sono fortemente regolati dalla cultura ambiente spaziale 9. Meccanotrasduzione non solo è influenzata dalla matrice 3D, ma più complesse condizioni di carico secondarie generato in ambienti 3D rispetto alle colture 2D 10. Infine, la permeabilità delle matrici 3D è inferiore al mezzo di coltura, in generale, con diminuzione diffusione e aumentato legame della cellula molecole di segnalazione rispetto alle colture 2D. Con culture 3D si è in grado di creare e osservare un microambiente più simile alla fisiologica rispetto al collante, chimica, e segnali meccanici. Cella per le interazioni delle cellule può essere promosso e le proprietà adesive possono essere controllati with la struttura, composizione e architettura (patterning) del materiale 3D 11-13. Le proprietà meccaniche del materiale possono altresì essere adattati dalla composizione e struttura 14,15. Coltura di cellule in idrogel pertanto permessi Fret studi su cellule primarie che sarebbero altrimenti de-differenziare o variazione fenotipo utilizzando tecniche convenzionali, ad es., Le cellule dalla cartilagine articolare. Pertanto, è necessario un metodo per consentire test FRET in colture 3D vivi.
ponteggi idrogel sono ideali per studi basati 3D FRET perché possono essere resi otticamente trasparente e adattati per controllare il microambiente e per fornire segnali cellulari. Gli idrogel a base di polimeri naturali sono stati utilizzati in coltura cellulare per decenni, tra gelatina e fibrina 16. Maggiore controllo microambiente cellulare può essere raggiunto con la modificazione chimica di questi polimeri e con l'uso di polimeri sintetici 17,18. hydrogel rigidità meccanica e permeabilità può essere controllata cambiando la composizione polimerica e dimensione (polimero e densità di reticolazione) 19,20 maglia. Inoltre, gli idrogel possono essere fatte bioattivo attraverso l'incorporazione di fattori di crescita e ligandi cellulari. A causa di queste possibilità, lo sviluppo di idrogel per biosensing, somministrazione di farmaci, e applicazioni di ingegneria tissutale è un'area di ricerca molto attiva 21. Stampa 3D di idrogel è inoltre in fase di sviluppo per la realizzazione di micro-tessuti e -organs 15. Così, FRET imaging cellule in idrogel non è solo utile come mezzo per approssimare comportamento cellulare fisiologica, ma anche come strumento per studiare e ottimizzare la crescita tessutale.
Binary sonde FRET raziometriche sono molto utili nello studio segnalazione cellulare e possono essere utilizzati in idrogel culture. Per un elenco parziale di fluorescenza pubblicato e ti agiti sonde, consultare il sito web del Consorzio cellulare migrazione <sup> 22. Il tipo di sonda più comune contiene due fluorofori diversi che sono associati o collegati da un elemento di riconoscimento (s) (regione sensibile analita). Queste regioni subiscono un cambiamento conformazionale, associazione o dissociazione al rilevamento dell'analita (ad es., Legame di uno ione o molecola, taglio enzimatico della regione) che altera la distanza tra fluorofori e quindi la grandezza FRET (superiori o inferiori) 23. Un tipo di sonda meno comune ma utile si basa su un cambiamento sensibile analita nella sovrapposizione spettrale dei due fluorofori, che altera FRET grandezza. "Single-chain" sonde raziometriche utilizzano una coppia fluoroforo legato su una singola molecola. "Dual-catena" sonde utilizzano coppie fluorofori su molecole separate, ma la loro espressione possono essere accoppiati con lo stesso cassetta di espressione 24. A differenza di studi con l'espressione unico fluoroforo (ad es., Proteine di fusione fluorescenti), studi con raziometricosonde FRET non richiedono doppio trasfezione per il controllo di efficienza di trasfezione o vitalità cellulare. Sonde raziometriche FRET sono relativamente insensibili a efficienza di trasfezione quando espresso di sopra di una soglia minima (concentrazione insensitive) 23,25. Essi sono insensibili alle fluttuazioni sorgente di eccitazione e di altri fattori ambientali intracellulare (ad es., PH, ioni) così a lungo in quanto entrambi i fluorofori sono altrettanto reattivo. Inoltre, la risposta non è soggetta a ritardi trascrizionale, a differenza fluorescenti e bioluminescenti promotore-reporter di costrutti 26,27.
sonde raziometriche FRET sono facilmente e frequentemente utilizzati nei sistemi microscopio widefield epifluorescenza convenzionali. microscopi grandangolari sono preferiti rispetto ai sistemi confocale a scansione linea per l'imaging cellulare dal vivo a causa di preoccupazioni per i costi di sistema, fluoroforo candeggio, e la cattura di cambiamenti di segnale con risoluzione temporale sufficiente. Inoltre, singola cella analeYsis su una vasta popolazione di cellule è possibile con uno stadio e l'immagine di acquisizione motorizzato su più campi di vista. Widefield microscopia richiede un'analisi basata intensità dei segnali delle sonde etero-tasto. Anche se l'analisi intensità non richiede hardware complesse come altri metodi tasto, è necessario un maggiore lavoro di post-acquisizione per correggere gli effetti di comportamenti fluoroforo e configurazioni di sistema microscopio / di imaging 28. L'intensità di emissione catturato di un fluoroforo è una funzione dell'energia di eccitazione, fluoroforo resa quantica, e il filtro combinato e fotocamera / rivelatore di sensibilità spettrale e linearità 2. Questi possono essere dissimile per il donatore e accettore e richiederanno di calibrazione per l'analisi quantitativa. Inoltre, l'imaging dell'emissione accettore è influenzata dalla sovrapposizione spettrale dei fluorofori (eccitazione di accettore da donatore luce di eccitazione e sanguinare-through di emissione del donatore in spettri di emissione accettore) 2.4, a catena singola "sonde sono internamente normalizzati perché i loro fluorofori sono equimolare su scala nanometrica, mentre i fluorofori di" "possono esistere sonde in diversi stoichiometries tutta una cella 25,28 Se i fluorofori di." Dual-catena a catena singola " sonde di luminosità simile (funzione del coefficiente di estinzione e la resa quantica), gli effetti di sensibilità del rivelatore non lineari sono piccole e solo correzione per la fluorescenza di fondo e il quantum sensibilità rendimento / rivelatore accoppiato è necessario 23. Così "single-chain" sonde raziometriche FRET sono più facilmente implementati in widefield microscopia a 24.
Questo articolo descrive una tecnica semplice per eseguire FRET immagini di cellule vive in culture idrogel 3D utilizzando un microscopio convenzionale widefield epifluorescente. Può essere facilmente adottata dai laboratori già conducendo esperimenti FRET in 2D, ma anche laboratori interessati in Intersegnalazione cellulare in microtissues. Qui mostriamo il metodo con misurazione a base di imaging tasto della monofosfato ciclico adenosina (cAMP) livelli in condrociti vivi all'interno photocrosslinking (PC-gel, polietilene glicole dimetacrilato) e thermoresponsive (TR-gel, Matrigel) idrogel. Una sonda FRET raziometrica è utilizzato sulla base di EPAC1 (ICUE1) per rilevare i livelli di cAMP in risposta a forskolin, un agonista chimico per ciclasi che catalizza la conversione di ATP al campo. Camp è uno dei principali secondi messaggeri che mediano G protein-coupled segnalazione dei recettori e attiva vari fattori, tra cui le proteine di scambio a valle direttamente attivati da cAMP (EPACs). I fluorofori allontanano upon cAMP legame al dominio EPAC conseguente diminuzione FRET. Qui descritto è la preparazione dei materiali idrogel, trasfezione delle cellule con la sonda ICUE1, e l'inclusione delle cellule in idrogel 3D. La procedura esperimento 3D tasto e l'analisi delle immagini necessarieper valutare l'attività della sonda per cella sono spiegati. Discutiamo anche i limiti intrinseci di analisi FRET in 2D e 3D utilizzando la microscopia widefield. La tecnica qui presentata è un miglioramento rispetto ai metodi 2D esistenti in quanto consente l'analisi in un contesto più fisiologico e richiede meno correzione dell'immagine e la calibrazione. Grande utilità consiste nel fatto che molti materiali trasparenti possono essere utilizzati durante preferenze cellulari e trasfezione possono essere mantenute.
This work demonstrates how FRET imaging can be used to analyze cellular signaling in 3D hydrogels. While prior studies have demonstrated FRET imaging of cells seeded on hydrogel substrates35-37, of extracellular interactions with hydrogels38, and of molecules trapped in hydrogels39-41, this is the first publication to describe FRET imaging based intracellular analysis of cells embedded within 3D hydrogels. The work solves several implementation issues when translating FRET imaging from 2D to 3D. First, high numerical aperture objectives are needed for FRET imaging to gather sufficient emission signal, but they limit the depth of field. The cells here are allowed to slightly settle via centrifuging to increase the number of cells in a focal plane near the glass to compensate for this. Second, 3D hydrogel scaffolds may drift across the field of view during imaging which complicates analysis. The hydrogels here are bonded to the coverslip so that they remain fixed throughout the experiment. Third, selection of appropriate hydrogel compositions for 3D FRET is essential because hydrogels may hinder visualization of the cells. Here transparent hydrogels of PC-gel and TR-gel are used. However, gathering the cells with centrifugation to a focal plane near the coverslip can be used to image cells in hydrogels with higher diffraction.The choice of hydrogel depends on the microenvironment conditions that must be simulated, which can be found in a review on hydrogels42. Fourth, an alternate calculation is employed here for the FRET ratio of the single chain ICUE1 probe (i.e., EQE = QE/cAem) to minimize the number of image channels required for analysis and thereby minimize photobleaching. The average FRET ratio per cell is calculated as the average of the ratios per pixel within a cell to minimize underestimation of the actual FRET ratio. Finally, a linear ratiometric analysis and means to calculate the activated fraction of single chain binary probes is described.
There are several critical aspects of carrying out successful FRET experiments using widefield microscopy. With respect to hardware, the camera must be sensitive enough to resolve small signal changes, leaving newer scientific CMOS cameras and electron multiplying CCDs better suited than conventional CCDs. To best analyze the spatial distribution of the FRET ratio, the camera must at minimum possess twice the spatial resolution of the point spread function of the objective (Nyquist criterion). This makes dual-view systems less suited to the task. More crucial is to select an appropriate exposure and image acquisition rate for the given FRET pair so as to minimize photobleaching of the fluorophores. A decreased acquisition rate is recommended as experiment duration increases. The use of rapid filter wheels increases acquisition rate and the number of FOVs for analysis while avoiding the image registration issues with dual-view and turret filter cubes. The inhomogeneous illumination field complicates correction for background fluorescence that arises from sample autofluorescence and camera system noise. Some hydrogels, particularly those containing collagenous proteins are highly autofluorescent43,44. The FRET ratios are underestimated without background correction. Here we employ a simple background correction method that relies on the relatively flat illumination field which can often be configured with epi-fluorescence illumination over the center of the image (Figure 3B, Step 7.2). This method therefore restricts cells of interest to those within this illumination field. The background correction described here does not account for cellular autofluorescence in the wavelengths read for the binary probe. In such a case, unlabeled cells (no probe transfection) should be imaged under the same conditions and background subtracted. A mix of labeled and unlabeled cells may be used and the unlabeled cells selected for the background ROI. Alternate methods which provide for cell analysis over the entire image field include use of a shading mask, multiple background ROIs, or identical samples without cells and a protocol is available upon request.
Specific to 3D FRET imaging, probe response is highly sensitive to the hydrogel permeability to the analyte (Figure 6). Therefore the same hydrogel regions are compared across experimental treatments, preferably at a point of geometry symmetry such as near the scaffold center as used here. Alternatively, microfluidic chambers/bioreactors may be employed to rapidly and uniformly perfuse the hydrogel with analyte solution45. A FRET signal may not be detected (signal to noise ratio is too low) when the hydrogel's autofluorescence is too high; a thinner hydrogel or different probe (different fluorophores) should be used. With respect to 3D FRET imaging in photocrosslinked hydrogels, use of minimum irradiation exposure and wavelengths outside the excitation spectrums of the probe fluorophores is recommended. LAP may be used with a visible light source at 405 nm to further minimize potential cellular damage31,46. However, using LAP with 365 nm irradiation is recommended because this minimizes probe bleaching. 365 nm lies at the tail end of the CFP donor excitation spectrum, whereas 405 nm lies at the peak excitation. Alternatively, the probe expression may be allowed to recover for one day. Use of binary probes minimizes issues of sensitivity to differences in expression levels and in molecular diffusion of the donor and acceptor fluorophores. Non-binary probes may be used, but with SE instead of QE imaging and additional correction for spectral bleed-through of excitation and emission spectra (see below). Furthermore, the low commercial availability and the complexity in designing FRET probes may be a hindrance. The most critical factor for successful experiments remains proper correction and analysis of the fluorescence signals.
An alternate calculation of the FRET ratio is utilized for several additional reasons besides minimization of photobleaching. For binary single-chain probes, the commonly reported ratio is acceptor emission under donor excitation (sensitized emission, SE) to donor emission under donor excitation (quenched emission, QE), i.e., FRET ratio = SE/QE25,47,48. SE/QE is non-linear relative to changes in FRET efficiency21,22,47. Namely, the ratio has an exponentially non-linear relationship to inherent FRET efficiency of the probe (Ei)(Donius, A. E.,Taboas, J. M. unpublished work. (2015)), with the ratio most linear for Ei less than approximately 15% . SE/QE will also underestimate the fraction of activated probes (FAP, i.e., fraction of probes binding analyte). Therefore, analysis of SE/QE requires a cumbersome equilibrium dose response study and curve fit. Fortunately, the ratios of SE or QE to the acceptor emission under acceptor excitation (Aem) are linear with respect to Ei and the FAP, i.e., the FRET ratios SE/Aem and QE/Aem. SE/Aem is often used for binary probes and only requires end-point calibration (at no probe activity and full probe activity), but basal cellular signaling makes this difficult. To eliminate the need for endpoint calibration, SE can be corrected (cSE) for spectral overlap of donor and acceptor excitation and emission spectrums (spectral bleed-through) and for the quantum yield and spectral sensitivity (QS) of the combined probe fluorophores and microscope imaging system. The corrected SE FRET ratio based on cSE defines the observed FRET efficiency of the probes within each pixel of an image, i.e., ESE = cSE/Aem. Commercial and free software is available to correct SE for these effects and the reader is referred to the work of Chen and Periasamy 2006 for a detailed explanation of the methods50. However, calculating ESE requires capture of three image channels per time-point (SE, QE, Aem). Therefore, in this work we also employ an alternate FRET ratio EQE = 1 – QE/cAem, which requires capture of only two image channels (QE and Aem). Calculating EQE from these channels only requires correcting Aem for QS (cAem = Aem x QS). QS = Dem/Aem is easily estimated using two images from the one calibration sample, where Dem is the donor emission under donor excitation with acceptor bleached. The FAP at any instant can be calculated by comparing ESE or EQE to the Ei of the probe.
Ultimately, FRET ratio selection (ESE = cSE/Aem vs. EQE = QE/cAem) should be based on consideration of the probe type and the channels with best signal. Both approaches include background noise correction of images per frame as described above to account for changes in autofluorescence over time. They assume no overlap of Aem excitation light into the Dem excitation spectrum, which is often the case due to probe design and microscope filter configuration. Single-chain probes can use either and selection is based on best probe signal (brightness) to camera noise and to background signal on SE and QE channels. For the ICUE1 probe and experimental conditions used here (cell and hydrogel types), SE has a stronger signal than QE. Dual-chain probes require use of ESE due to non-equimolar distribution of donor and acceptor fluorophores. For probes that decrease in FRET upon binding analyte such as ICUE1, FRET efficiency can be "inverted" to present a positive signaling change upon binding the analyte as we do here, with ESE = 1 – cSE/Aem or EQE = QE/(Aem x QS).
Analysis of the FAP is sensitive to proper correction of the FRET ratios and to the estimate of Ei. It can be estimated with the same calibration sample used for QS and a conventional endpoint FRET efficiency assay as Ei = 1-(QE/Dem) (QE image followed by acceptor photobleaching and a Dem image)28, but care must be taken to minimize accidental bleaching of the donor. We describe a modified version where the estimate of Dem based on Aem adjusted for QS is substituted, i.e., Ei = 1 – (QE/(Aem x QS)). Alternately, Ei = cSE/Aem may be used. Estimation of Ei in living cells requires that all probes be driven to full FRET. This is difficult to achieve in practice for probes, such as ICUE1 that decrease in FRET upon binding the analyte. An in vitro based calculation of Ei using cell lysates and purified analyte is best, but outside the scope of this work. Here we recommend using 2′,5′-Dideoxyadenosine to decrease cAMP in the cells. However, a relative FAP may be calculated using an Ei estimate derived from the baseline level of signaling. For these reasons, studies most often report the FRET ratio (as done here) or a relative FAP based on endpoint calibration, where the signaling baseline before adding agonist is the lower bound and the signal after adding a second agonist that saturates signaling is the upper bound. Forskolin is often used as a control agonist to saturate cAMP signal. Alternately, a cAMP analog may be used such as 8-Bromoadenosine 3',5'-cyclic monophosphate. Positive controls used at the completion of studies to identify potential changes in the signaling pathway among experimental treatments are recommended.
Calculation of the average signaling response per cell requires consideration of several factors. First, the average FRET ratio should be calculated as the average of the ratios at each pixel within a cell, i.e., (∑(QE⁄cAem))/(number of pixels), instead of the ratio of the average QE and Aem in a cell, i.e., (∑QE)⁄(∑cAem). Though the latter does not require careful masking as background noise is low, it severely underestimates the true average FRET ratio. However, pixel ratios require floating-point calculation and careful binary masking of the cell area to define the ROIs and avoid inclusion of spurious ratios generated from background noise outside the cell. The entire cell area must be quantified to avoid biasing results on cell shape. The masking may need to be redefined over time depending on changes in cell shape and migration. Alternately, ROIs larger than the cell may be used if exclusion criteria are defined to remove pixel ratios from QE and Aem signals that fall well below cellular levels and are near background levels. The described analysis methods detail the basic steps used in this work for FRET analysis without specialized software/plugins. Microscope manufacturers and other vendors sell add-on modules for their microscope software, which support automated ratiometric and FRET analysis. Likewise, the public domain ImageJ software has several plugins available for particle and FRET analysis, such as RiFRET. Second, the pixel-based average FRET ratio underestimates the true average ratio of the 3D cellular structure because a 2D image is used. The 2D signals represent and average along the z-axis. Calculation of the 3D spatial distribution of FRET ratios in live cells is not possible without high speed 3D imaging (e.g., using spinning disk confocal microscopy). This is a problem for both 2D and 3D cultures, but has a larger effect in 3D as more of the cellular structure exists out of plane. This is of great concern for probes that localize to cellular structures, such as the plasma membrane EPAC1 probe PM-ICUE. See Spiering et al. 2013 for suggestions to correct for cell thickness effects on ratio calculations24. Analysis of the distribution of Aem can be used to detect if probe accumulates in regions of the cell and imaging plane adjusted. This will also help to interpret the spatial distribution of FRET ratios and to eliminate spurious results, e.g., identifying probe saturation (i.e., a low Aem region will have low probe concentration and may exhibit probe saturation and high FRET ratio). Third, different FRET baseline levels may indicate a difference in transfection efficiency, probe expression, or basal signaling between experimental groups. "Relative Analysis" (Step 10.1.1) helps remove drift in the FRET ratio over time if present. It facilitates comparison of the relative magnitude of responses between samples, but impedes comparison to the time-course of response for the reference sample (control plot is a flat line). "Absolute Analysis" (Step 10.1.2) facilitates comparison of the rate of response across samples, but hampers comparison of the magnitude of response because each line is scaled by a dissimilar constant. Studies often use a linear regression on the baseline to correct for drift in the FRET ratio over time.
The described 3D FRET method is a useful and practical way to fabricate and perform time-lapse imaging of cell laden 3D hydrogels, which can be applied to other probes and imaging modalities. Other FRET system besides single chain binary probes will require more complex correction of intensity based signals, as discussed above. Alternately, fluorescence lifetime imaging of FRET (FLIM-FRET) may be used to calculate FRET efficiency via a change in emission lifetime of the probe donor. Unlike intensity based FRET, FLIM-FRET is insensitive to background noise, spectral bleed-through, quantum efficiency, and detector spectral sensitivity2. However, FLIM systems are expensive, complex, and uncommon, and work best with fluorophores with single exponent decay and no FLIM run-off 49. The described method may also be used with more advanced microscope platforms (e.g., FRET-TIRF, fluorescence anisotropy, and spectral correlation FRET). Applying this method to 3D imaging with high speed confocal and multiphoton microscopy will facilitate analysis of the sub-cellular distribution of signaling response and increase the accuracy of signaling analysis. This 3D FRET method will enable advanced cell biology studies in simulated 3D cellular microenvironments. As such, it can be readily applied to pharmacology and regenerative medicine needs, including studying intercellular signaling and screening drug response in engineered hydrogel-based microtissues.
The authors have nothing to disclose.
The authors acknowledge the financial support of the School of Dental Medicine at the University of Pittsburgh, the National Institutes of Health award K01 AR062598, and grant P30 DE030740. The authors also thank Dr. Jin Zhang for the ICUE1 plasmid, Wayne Rasband for developing ImageJ and Michael Cammer for the ImageJ macro.
Polydimethylsiloxane (PDMS) [Sylgard 184 Elastomer Kit] | Fisher Scientific (Ellsworth Adhesives) | NC0162601 | Reagents |
Polyethylene glycol dimethacrylate (PEGDM) | Prepared according to Lin-Gibson with PEG from Sigma Aldrich | 95904 | Reagents |
3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate | Sigma Aldrich | M6514 | Reagents |
3-glycidoxypropyltrimethoxysilane | Sigma Aldrich | 440167 | Reagents |
Dimethyl Phenylphosphonite | Sigma Aldrich | 149470-5g | Reagents |
2,4,6-trimethylbenzoyl Chloride | Fisher Scientific | AC244280100 | Reagents |
2-Butanone | Fisher Scientific | AC149670010 | Reagents |
Lithium Bromide | Fisher Scientific | AC199871000 | Reagents |
Isopropanol | Sigma Aldrich | 190764 | Reagents |
Sigmacote (siliconizing reagent) | Sigma Aldrich | SL2 | Reagents |
Toluene | Fisher Scientific | AC36441-0010 | Reagents |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Hyclone | SH3025601 | Reagents |
Opti-MEM Reduced Serum Medium, no phenol red (phenol- and serum-free medium) | Life Technologies | 11058-021 | Reagents |
FuGENE HD Transfection Reagent (transfection reagent) | Promega | E2311 | Reagents |
Cellstripper (cell dissociation solution) | Corning | 25-056-CI | Reagents |
Growth Factor Reduced Matrigel, Phenol Free | Corning | 356231 | Reagents |
Forskolin | Sigma Aldrich | F6886 | Reagents |
Pipette Tips (10,200,1000 μl) | Fisher Scientific | 02-707-474, 02-707-478, 02-707-480 | Disposable lab equipment |
Powder Free Examination Gloves | Fisher Scientific | 19-149-863B | Disposable lab equipment |
Aluminum foil | Fisher Scientific | 01-213-100 | Disposable lab equipment |
Biopsy punch (3 mm) | Miltex | 3332 | Disposable lab equipment |
Glass coverslips | Fisher Scientific | 12-544C | Disposable lab equipment |
Precoated glass coverslips (epoxysilane) | Arrayit | CCSL | Disposable lab equipment |
Glass slide | Fisher Scientific | 12550D | Disposable lab equipment |
Sterile vials (15 mL, 50 ml conical) | Fisher Scientific | 14-959-70C, 14-959-49A | Disposable lab equipment |
Cell culture dish (6-well) | Falcon | 351146 | Disposable lab equipment |
Epifluorescent Microscope with motorized stage | Nikon | MEA53100 (Eclipse TiE Inverted) | Large/non-disposable lab equipment |
Adjustable Specimen Holder for XY Stage | Nikon | 77011393 | Non-disposable lab equipment |
60x (1.3 NA) objective (CFI Plan Apochromat 60XH Lamda) | Nikon | MRD01605 | Non-disposable lab equipment |
CFP/YFP light source and excitation / emission filter holders (Lambda light source & wheel, Lambda emission filter system) | Nikon (Sutter Instrument reseller) | 77016231, 77016088 | Non-disposable lab equipment |
CYF/YFP filter set | Nikon (Chroma Technology Corp) | 77014928 | Non-disposable lab equipment |
Camera (ORCA Flash 4.0 v1) | Nikon (Hamamatsu reseller) | 77054076 | Non-disposable lab-equipment |
NIS-Elements 40.20.02 microscope software) | Nikon | MQS31100 | Non-disposable lab equipment |
Prism (spreadsheet and graphing software) | GraphPad Software, Inc | Version 6 | Non-disposable lab equipment |
OmniCure S1000 UV Spot Curing Lamp System with 365nm filter or other light source (λ=365 or 405) | OmniCure | S1000 | Large/non-disposable lab equipment |
Pipette Aid | Drummond Scientific Co. | DP-100 | Non-disposable lab equipment |
Hemacytometer | Hausser Scientific | Reichert Bright-Line 1475 | Non-disposable lab equipment |
Vacuum desiccator chamber/degasser | Any | Large/non-disposable lab equipment | |
Tissue Culture Hood | Any | Large/non-disposable lab equipment | |
Chemical Fume Hood | Any | Large/non-disposable lab equipment | |
Oven | Any | Large/non-disposable lab equipment | |
Spatula | Any | Non-disposable lab equipment | |
Beaker | Any | Non-disposable lab equipment | |
Incubator | Any | Large/non-disposable lab equipment |