Förster transfert d'énergie par résonance (FRET) imagerie est un outil puissant pour les études de biologie cellulaire en temps réel. Ici, un procédé pour les cellules d'imagerie FRET dans physiologiques microenvironnements en trois dimensions (3D) d'hydrogel en utilisant la microscopie à épifluorescence classique est présenté. Une analyse pour les sondes FRET ratiométrique qui donne des rapports linéaire sur la gamme d'activation est décrite.
L'imagerie du Förster transfert d'énergie par résonance (FRET) est un outil puissant pour l'examen de la biologie cellulaire en temps réel. Des études utilisant FRET emploient couramment (2D) la culture en deux dimensions, ce qui ne reproduit pas les trois dimensions (3D) microenvironnement cellulaire. Procédé pour effectuer l'émission trempée FRET imagerie par microscopie à épifluorescence Widefield conventionnelle des cellules dans un environnement d'hydrogel 3D est présenté. Voici une méthode d'analyse pour les sondes FRET ratiométrique qui donne des rapports linéaire sur la gamme d'activation de la sonde est décrite. Mesure intracellulaire d'adénosine monophosphate cyclique (AMPc) niveaux est démontrée dans les chondrocytes sous stimulation par la forskoline en utilisant une sonde pour EPAC1 activation (ICUE1) et la capacité de détecter les différences de AMPc de signalisation en fonction du type de matériau d'hydrogel, ici un hydrogel de photoréticulation (PC-gel, diméthacrylate de polyéthylène glycol) et un hydrogel thermosensible (TR-gel). Par rapport aux méthodes 2D FRET,cette méthode nécessite peu de travail supplémentaire. Les laboratoires utilisant déjà l'imagerie FRET en 2D peuvent facilement adopter cette méthode pour effectuer des études cellulaires dans un microenvironnement 3D. Il peut en outre être appliquée au dépistage de drogues à haut débit dans microtissues 3D d'ingénierie. En outre, il est compatible avec d'autres formes d'imagerie FRET, comme mesure de l'anisotropie et de l'imagerie de fluorescence à vie (FLIM), et avec des plates-formes avancées de microscopie confocale en utilisant, pulsée ou illumination modulée.
Signalisation cellulaire est à la fois complexe et en conséquence pour de nombreux domaines, y compris la pharmacologie, l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative. outils d'enquête utiles sont nécessaires pour approfondir notre compréhension de la biologie cellulaire et de développer des matériaux optimaux pour la régénération des tissus. Förster transfert d'énergie par résonance (FRET) imagerie est un outil essentiel permettant l' analyse de l' activation du récepteur, conformation moléculaire, et les interactions supramoléculaires (par exemple., Protéines / ADN complexation) dans les cellules vivantes. FRET est un type de transfert d'énergie non radiatif entre fluorophores 1. Il a une efficacité qui est inversement proportionnelle à la puissance six de la distance entre un fluorophore donneur et un fluorophore accepteur. Ainsi, il peut fournir des informations sur la distance spatiale entre deux molécules différentes ou à travers des régions d'une molécule à l'échelle du nanomètre (typiquement 1 – 10 nm) 2. Les fluorophores donneur et accepteur peuvent être différents mles types olecule (hétéro-FRET), dans lequel le donneur a l'émission d'énergie plus élevée (plus courte longueur d'onde), ou du même type (homo-FRET). FRET imagerie peut être effectuée sur des cellules fixées ou vivantes, mais en général, les cellules fixes sont utilisés pour l'imagerie des interactions moléculaires à haute résolution spatiale lorsque les systèmes confocale à grande vitesse ne sont pas disponibles. Les cellules vivantes sont utilisées pour étudier les interactions et les processus qui sont inhibés ou modifiés par la fixation, tels que le temps réel intracellulaire de signalisation de réponse 3.
Des études de cellules vivantes qui emploient FRET utilisation d'imagerie en deux dimensions (2D) cultures cellulaires en partie à cause de la simplicité et de fond plus faible (pas d'émission à partir de cellules d'avion). Cependant, les cultures 2D modifient également de nombreux processus cellulaires par rapport au microenvironnement physiologique et en trois dimensions (3D) la culture 4,5. Par exemple, la cellule originaire de la cellule et la cellule à des interactions de la matrice extracellulaire sont radicalement modifiée dans la culture 2D menant aux easily a observé des changements dans la morphologie des cellules et la polarité 6. Microdomaines membranaires (par exemple., Cavéoles et radeaux lipidiques) et la signalisation du récepteur sont fortement réglementés par l'environnement de la culture, en partie parce qu'ils se lient les composants du cytosquelette 7,8 et la structure de la forme des cellules et du cytosquelette sont fortement réglementées par l'environnement de la culture spatiale 9. Mécanotransduction est influencée non seulement par la matrice 3D, mais les conditions de charge secondaires plus complexes engendrés dans des environnements 3D en 2D par rapport à des cultures 10. Enfin, la perméabilité de la matrice 3D est inférieure au milieu de culture, en général à une diminution de la diffusion et une liaison accrue des molécules de signalisation cellulaire par rapport à des cultures 2D. Avec des cultures 3D on est en mesure de créer et d'observer un microenvironnement plus semblable à la physiologique par rapport à l'adhésif, chimique, et des signaux mécaniques. Cellule d'interactions cellulaires peut être favorisée et les propriétés adhésives peut être contrôlé wvec la structure, la composition et l' architecture (motif) du matériau 3D 11-13. Les propriétés mécaniques du matériau peuvent également être adaptés par la composition et la structure 14,15. La culture de cellules en hydrogels donc permis FRET études sur des cellules primaires qui seraient autrement de-différencier les ou changement dans le phénotype en utilisant des techniques classiques, par exemple., Les cellules de cartilage articulaire. Ainsi, un procédé est nécessaire pour permettre des analyses FRET dans des cultures 3D en direct.
échafauds hydrogels sont idéales pour des études basées FRET 3D, car ils peuvent être optiquement transparents et adaptés pour commander le micro-environnement et pour fournir des signaux cellulaires. Hydrogels à base de polymères naturels ont été utilisés dans la culture cellulaire pendant des décennies, y compris la gélatine et la fibrine 16. Meilleur contrôle sur le microenvironnement cellulaire peut être obtenue avec une modification chimique de ces polymères et avec l'utilisation de polymères synthétiques , 17,18. hydrOGEL rigidité mécanique et de la perméabilité peut être contrôlée en modifiant leur composition polymère et la taille des mailles (polymère et la densité de réticulation) 19,20. De plus, les hydrogels peuvent être biologiquement active par l'incorporation de facteurs de croissance et des ligands cellulaires. En raison de ces possibilités, le développement d'hydrogels pour les biocapteurs, la délivrance de médicaments, et les applications d'ingénierie tissulaire est un domaine de recherche très actif 21. L' impression 3D d'hydrogels est également en cours de développement pour la fabrication de micro-tissus et -organs 15. Ainsi, FRET imagerie des cellules dans les hydrogels est utile non seulement comme moyen de rapprocher le comportement cellulaire physiologique, mais aussi comme un outil pour étudier et optimiser la croissance de l'ingénierie tissulaire.
Les sondes FRET ratiométrique binaires sont très utiles pour étudier la signalisation cellulaire et peuvent être utilisés dans des cultures d'hydrogel. Pour une liste partielle des fluorescente publiée et FRET sondes, voir le site web cellulaire Migration Consortium <sup> 22. Le type de sonde la plus courante comporte deux fluorophores différents qui sont associés ou reliés par un élément de reconnaissance (s) (substance à analyser région sensible). Ces régions subissent un changement conformationnel, l' association ou la dissociation lors de la détection de l'analyte (par ex., La liaison d'un ion ou d'une molécule, le clivage enzymatique de la région) qui modifie la distance entre fluorophores et donc l'amplitude de FRET (supérieure ou inférieure) 23. Un type de sonde moins commune mais utile repose sur un changement sensible de l'analyte dans le chevauchement spectral des deux fluorophores, qui modifie FRET grandeur. "Monocaténaires" ratiométrique sondes utilisent une paire de fluorophore lié à une seule molécule. "Double chaîne" sondes utilisent des paires de fluorophores sur des molécules séparées, mais leur expression peut être couplé sous la même cassette d'expression 24. Contrairement aux études avec une expression unique de fluorophore (par exemple., Des protéines de fusion fluorescentes), des études avec ratiométriqueLes sondes FRET ne nécessitent pas de double transfection pour contrôler l'efficacité de la transfection ou la viabilité cellulaire. Sondes Ratiométrique FRET sont relativement insensibles à l' efficacité de transfection lorsqu'il est exprimé ci – dessus d' un seuil minimal (concentration insensible) 23,25. Ils sont insensibles aux fluctuations de la source d'excitation et d' autres facteurs du milieu intracellulaire (par ex., Le pH, des ions) tant que les deux fluorophores sont sensibles de manière similaire. En outre, leur réponse est non soumis à un retard de la transcription, à la différence de fluorescence et bioluminescence promoteur-rapporteur construit des 26,27.
sondes Ratiométrique FRET sont facilement et fréquemment utilisés dans les systèmes classiques de microscope Widefield à épifluorescence. microscopes grand champ sont préférés balayage de ligne des systèmes confocale pour l'imagerie des cellules vivantes en raison de préoccupations sur le coût du système, fluorophore blanchiment, et la capture de signaux change avec une résolution temporelle suffisante. En outre, anal cellulaire uniqueyse sur une grande population de cellules est possible avec une capture de la scène et de l'image motorisé sur plusieurs champs de vision. La microscopie à champ large nécessite une analyse d'intensité en fonction des signaux de sonde hétéro-FRET. Bien que l' analyse de l' intensité ne nécessite pas de matériel complexe comme d' autres méthodes FRET, plus de travail post-acquisition est nécessaire pour corriger les effets des comportements fluorophores et configurations système microscope / d'imagerie 28. L'intensité d'émission d'un fluorophore capturé est une fonction de l'énergie d'excitation, un fluorophore rendement quantique, et le filtre combiné et un appareil photo / détecteur de sensibilité spectrale et la linéarité 2. Ceux-ci peuvent être différents pour le donneur et accepteur et nécessiteront l'étalonnage pour l'analyse quantitative. En outre, l' imagerie de l'émission de l' accepteur est influencée par le chevauchement spectral des fluorophores (excitation de l' accepteur par la lumière d' excitation et de donneur transpercement d'émission du donneur dans les spectres d'émission de l' accepteur) 2.4; à chaîne unique "sondes sont normalisées à l' intérieur parce que leurs fluorophores sont équimolaire à l'échelle nanométrique, tandis que les fluorophores de" double-chaîne "sondes peuvent exister à différents stoechiométries à travers une cellule 25,28 Si les fluorophores de." Chaîne unique " les sondes sont de même luminosité (fonction du coefficient d'extinction et le rendement quantique), les effets de la sensibilité du détecteur non linéaire sont petites et que la correction pour la fluorescence de fond et le quantum de sensibilité / rendement détecteur couplé est nécessaire 23. Ainsi , " à une seule chaîne" sondes ratiométrique FRET sont plus facilement mises en œuvre en Widefield microscopie 24.
Ce document décrit une technique simple pour effectuer FRET imagerie de cellules vivantes dans les cultures d'hydrogel 3D à l'aide d'un microscope Widefield épifluorescent classique. Il peut être facilement adopté par les laboratoires effectuant des expériences déjà FRET en 2D, ainsi laboratoires intéressés par interla signalisation cellulaire dans microtissues. Ici, nous démontrons la méthode de mesure de l'adénosine monophosphate cyclique (AMPc), les niveaux de chondrocytes vivants dans photoréticulation (PC-gel, le polyéthylène glycol diméthacrylate) et thermosensible (TR-gel, Matrigel) des hydrogels à base d'imagerie FRET. Une sonde FRET ratiométrique est utilisé sur la base EPAC1 (ICUE1) afin de détecter les taux d'AMPc en réponse à la forskoline, un agoniste chimique pour l'adénylcyclase qui catalyse la conversion de l'ATP en AMPc. AMPc est l'un des principaux seconds messagers médiatrices G la signalisation des récepteurs couplés à la protéine et active de divers facteurs, y compris les protéines d'échange en aval directement activés par l'AMPc (EPAC). Les fluorophores se séparent lors de la liaison de l'AMPc au domaine EPAC entraînant une diminution de FRET. Décrite ici est la préparation des matériaux d'hydrogel, la transfection de cellules avec la sonde ICUE1, et l'incorporation des cellules dans les hydrogels 3D. La procédure d'expérimentation 3D FRET et l'analyse d'image nécessairepour évaluer l'activité de la sonde par cellule sont expliquées. Nous discutons également des limites inhérentes à l'analyse FRET en 2D et 3D en utilisant la microscopie à champ large. La technique présentée ici représente une amélioration par rapport aux méthodes existantes en 2D, car elle permet une analyse dans un contexte plus physiologique et nécessite moins de correction d'image et d'étalonnage. Une grande utilité réside dans le fait que beaucoup de matériaux transparents peuvent être utilisés tandis que les préférences de la cellule et la transfection peuvent être maintenues.
Ce travail montre comment l'imagerie FRET peut être utilisé pour analyser la signalisation cellulaire dans des hydrogels 3D. Bien que des études antérieures ont démontré FRET imagerie de cellules mises en culture sur des substrats d'hydrogel 35-37, des interactions extracellulaires avec des hydrogels 38 et des molécules piégées dans des hydrogels 39-41, ceci est la première publication de décrire l' analyse intracellulaire en fonction d'imagerie FRET de cellules incorporées dans Les hydrogels 3D. Le travail résout plusieurs problèmes de mise en œuvre lors de la traduction d'imagerie FRET de la 2D à la 3D. En premier lieu, les objectifs de grande ouverture numérique sont nécessaires pour l'imagerie FRET pour recueillir le signal d'émission suffisant, mais ils ne limitent la profondeur de champ. Les cellules ici sont autorisés à régler légèrement par centrifugation pour augmenter le nombre de cellules dans un plan focal près du verre pour compenser. Deuxièmement, échafauds d'hydrogel 3D peuvent dériver à travers le champ de vision lors de l'imagerie qui complique l'analyse. Les hydrogels ici sont liés au coverslip de sorte qu'ils restent fixes pendant toute l'expérience. Troisièmement, la sélection de compositions d'hydrogel appropriées pour 3D FRET est essentielle parce que hydrogels peuvent entraver la visualisation des cellules. hydrogels Ici transparents de PC-gel et TR-gel sont utilisés. Cependant, la collecte des cellules avec centrifugation à un plan focal près de la lamelle peut être utilisé pour les cellules d'image dans hydrogels avec une plus grande diffraction des choix d'hydrogel dépend des conditions de microenvironnement qui doivent être simulés, qui peuvent être trouvés dans une critique sur hydrogels 42 . Quatrièmement, un autre calcul est employé ici pour le rapport FRET de la sonde ICUE1 à chaîne unique (c. -à- E QE = QE / CAEM) afin de minimiser le nombre de canaux d'image nécessaires à l' analyse et ainsi minimiser photoblanchiment. Le ratio FRET moyenne par cellule est calculé comme la moyenne des rapports par pixel au sein d'une cellule pour minimiser la sous-estimation du taux réel de FRET. Enfin, une analyse et un moyen linéaire ratiométriquepour calculer la fraction active de sondes binaires à une seule chaîne est décrite.
Il y a plusieurs aspects critiques de la réalisation d'expériences de FRET réussies en utilisant la microscopie widefield. En ce qui concerne le matériel, la caméra doit être suffisamment sensible pour résoudre les petits changements de signal, laissant les nouveaux appareils scientifiques CMOS et CCD d'électrons multipliant mieux adaptés que CCDs classiques. Pour mieux analyser la répartition spatiale du ratio de FRET, la caméra doit au minimum posséder deux fois la résolution spatiale de la fonction d'étalement de point de l'objectif (critère de Nyquist). Cela rend les systèmes à double vue moins adapté à la tâche. Plus cruciale est de sélectionner un taux d'acquisition de l'exposition et de l'image appropriée pour la paire FRET donnée de manière à minimiser photoblanchiment des fluorophores. Un taux d'acquisition diminué est recommandé que la durée de l'expérience augmente. L'utilisation de roues de filtre rapide augmente la vitesse d'acquisition et le nombre de FOV pour l'analyse tout éviterment les problèmes d'enregistrement d'image à double-vue et les cubes de filtre de la tourelle. Le champ d'éclairement inhomogène complique la correction pour la fluorescence de fond qui provient de l'autofluorescence de l'échantillon et le bruit du système de caméra. Certains hydrogels, en particulier ceux contenant des protéines collagènes sont très autofluorescents 43,44. Les ratios de FRET sont sous-estimés sans correction de fond. Ici , nous utilisons une méthode de correction de fond simple qui repose sur le terrain relativement plat d'éclairage qui peut souvent être configuré avec un éclairage epi-fluorescence sur le centre de l'image (figure 3B, étape 7.2). Cette méthode limite donc les cellules d'intérêt pour ceux dans ce champ d'éclairage. La correction de fond décrite ici ne tient pas compte de l'autofluorescence cellulaire dans les longueurs d'onde de lecture pour la sonde binaire. Dans un tel cas, les cellules non marquées (aucune sonde de transfection) doivent être visualisés dans les mêmes conditions et le contexte soustraites. Un mix des cellules marquées et non marquées peuvent être utilisées et les cellules non marquées sélectionné pour le retour sur investissement d'arrière-plan. D'autres méthodes qui prévoient l'analyse des cellules sur le champ de l'image comprennent l'utilisation d'un masque d'ombrage, plusieurs ROIs de fond, ou des échantillons identiques sans cellules et un protocole est disponible sur demande.
Spécifique pour l' imagerie 3D FRET, la réponse de la sonde est hautement sensible à l'hydrogel perméabilité à la substance à analyser (figure 6). les mêmes régions d'hydrogel sont donc comparés entre les traitements expérimentaux, de préférence à un point de la géométrie de symétrie, comme à proximité du centre d'échafaudage tel qu'il est utilisé ici. En variante, les chambres microfluidiques / bioréacteurs peuvent être utilisés pour perfuser rapidement et uniformément dans l'hydrogel avec une solution d'analyte 45. Un signal de FRET ne peut pas être détecté (rapport signal sur bruit est trop faible) lorsque l'autofluorescence de l'hydrogel est trop élevé; un hydrogel plus mince ou d'une sonde différente (différents fluorophores) devraient être utilisés.En ce qui concerne l'imagerie 3D FRET dans des hydrogels photoréticulé, l'utilisation de longueurs d'onde en dehors de l'exposition et les spectres d'excitation des fluorophores de la sonde d'irradiation minimale est recommandée. LAP peut être utilisé avec une source de lumière visible à 405 nm afin de réduire davantage les dommages cellulaires potentiels 31,46. Cependant, en utilisant LAP avec 365 nm irradiation est recommandée car cela minimise la sonde blanchiment. 365 nm se situe à l'extrémité de queue du spectre d'excitation du donneur PCP, alors que 405 nm se trouve à l'excitation maximale. En variante, l'expression de la sonde peut être autorisé à récupérer pendant un jour. L'utilisation de sondes binaires minimise les problèmes de sensibilité aux différences dans les niveaux d'expression et à la diffusion moléculaire des fluorophores donneur et accepteur. Les sondes non binaires peuvent être utilisées, mais au lieu d'imagerie SE QE et une correction supplémentaire de transpercement spectrale des spectres d'excitation et d'émission (voir plus bas). En outre, la faible disponibilité commerciale et de la complexité dans la conception de sondes FRETpeut être un obstacle. Le facteur le plus critique pour les expériences réussies reste correction appropriée et l'analyse des signaux de fluorescence.
Un calcul alternatif du ratio FRET est utilisé pour plusieurs raisons supplémentaires en plus de la réduction au minimum le photoblanchiment. Pour les sondes à chaîne unique binaires, le rapport fréquemment rapporté est accepteur d' émission sous excitation des donateurs (émission sensibilisés, SE) à l' émission des donateurs sous donneurs d' excitation (émission trempé, QE), c. -à- FRET rapport = SE / QE 25,47,48. SE / QE est non-linéaire par rapport aux changements dans l' efficacité de FRET 21,22,47. A savoir, le rapport a une relation exponentielle non linéaire inhérente FRET efficacité de la sonde (Ei) (DONIUS, AE, Taboas, JM travaux non publiés. (2015)), avec le rapport le plus linéaire pour Ei inférieure à environ 15%. SE / QE sera également sous – estimer la fraction de sondes activées (FAP, à savoir, la fraction de sondes analyte de liaison). Therefore, analyse de SE / QE exige une dose d'équilibre lourde d'étude de réponse et ajustement de la courbe. Heureusement, les ratios de SE ou QE à l'émission de l' accepteur sous l' accepteur d' excitation (Aem) sont linéaires par rapport à Ei et le FAP, à savoir, les rapports de FRET SE / Aem et QE / Aem. SE / Aem est souvent utilisé pour les sondes binaires et ne nécessite point final étalonnage (sans activité de la sonde et l'activité complète de la sonde), mais la signalisation cellulaire basale rend cela difficile. Pour éliminer le besoin pour l'étalonnage de point de terminaison, SE peut être corrigée (Cse) pour le chevauchement spectral de donneur et accepteur d'excitation et d'émission des spectres (spectrale transpercement) et pour le rendement quantique et de la sensibilité spectrale (QS) des fluorophores de sondes combinées et microscope système d'imagerie. Le ratio FRET SE corrigé sur la base cse définit l'efficacité de FRET observé des sondes au sein de chaque pixel d'une image, soit E = SE Cse / Aem. Les logiciels commerciaux et gratuit est disponible pour corriger SE pour ces effets etle lecteur est renvoyé aux travaux de Chen et Periasamy 2006 pour une explication détaillée des méthodes 50. Toutefois, le calcul de E SE nécessite la capture de trois canaux d'image par point de temps (SE, QE, Aem). Par conséquent, dans ce travail , nous employons également un ratio de FRET alternatif E QE = 1 – QE / CAEM, qui exige la capture de seulement deux canaux d'image (QE et Aem). Calcul E QE à partir de ces canaux ne nécessite que la correction Aem pour QS (CAEM = Aem x QS). QS = Dem / Aem est estimée facilement à l'aide de deux images à partir de l'échantillon d'un étalonnage, où Dem est l'émission du donneur sous donneur d'excitation avec l'accepteur blanchi. Le FAP à tout instant peut être calculé en comparant E SE ou E QE à l'Ei de la sonde.
En fin de compte, la sélection du rapport FRET (E SE = Cse / Aem vs E QE = QE / CAEM) doit être fondée sur un examen du type de sonde et les canaux avec meilleur signal. a la foispproches comprennent la correction de fond de bruit d'images par image tel que décrit ci-dessus pour tenir compte des changements dans autofluorescence au fil du temps. Ils supposent pas de chevauchement des Aem excitation lumineuse dans le spectre d'excitation Dem, qui est souvent le cas en raison de la sonde configuration du filtre conception et microscope. sondes à chaîne unique peuvent utiliser et la sélection est basée sur les meilleures signal de la sonde (luminosité) au bruit de la caméra et de signal de fond sur les SE et les canaux QE. Pour la sonde ICUE1 et les conditions expérimentales utilisées ici (types de cellules et d'hydrogel), S'a un signal plus fort que QE. Sondes à double chaîne nécessitent l' utilisation de E S'en raison de la distribution non-équimolaire de donneur et accepteur fluorophores. Pour les sondes qui diminuent en FRET sur analyte de liaison tels que ICUE1, FRET efficacité peut être «inversé» pour présenter un changement de signalisation positif lors de la liaison de l'analyte comme nous le faisons ici, avec E SE = 1 – Cse / Aem ou E QE = QE / (Aem x QS).
L'analyse des ee FAP est sensible à une bonne correction des rapports de FRET et à l'estimation de Ei. On peut estimer avec le même échantillon d'étalonnage utilisé pour QS et un critère classique FRET efficacité dosage tel que Ei = 1- (QE / Dem) (image de QE suivie par l' accepteur photoblanchiment et une image Dem) 28, mais il faut prendre soin de minimiser blanchiment accidentelle du donneur. Nous décrivons une version modifiée où l'estimation de Dem basée sur Aem ajusté pour QS est substitué, à savoir, Ei = 1 – (QE / (Aem x QS)). Alternativement, Ei = Cse / Aem peut être utilisé. Estimation de Ei dans les cellules vivantes exige que toutes les sondes soient conduits à pleine FRET. Ceci est difficile à réaliser dans la pratique pour les sondes, comme ICUE1 qui diminuent en FRET lors de la liaison de l'analyte. Un calcul basé Ei in vitro en utilisant des lysats de cellule et l' analyte purifié est préférable, mais pas dans le cadre de ce travail. Ici, nous vous recommandons d'utiliser 2 ', 5'-dideoxyadenosine pour diminuer l'AMPc dans les cellules. Cependant, un FAP relatif peut be calculé en utilisant une estimation Ei dérivée du niveau de signalisation de base. Pour ces raisons, les études rapportent le plus souvent le ratio de FRET (comme cela se fait ici) ou d'un FAP relatif basé sur critère d'étalonnage, où la ligne de base de signalisation avant d'ajouter agoniste est la limite inférieure et le signal après l'ajout d'un second agoniste qui sature la signalisation est la partie supérieure lié. La forskoline est souvent utilisé comme un agoniste de commande pour saturer le signal AMPc. En variante, un analogue de l'AMPc peut être utilisé, tel que 8 Bromoadenosine 3 ', 5'-monophosphate cyclique. Les contrôles positifs utilisés à la fin des études pour identifier les changements potentiels dans la voie de signalisation entre les traitements expérimentaux sont recommandés.
Calcul de la réponse de signalisation moyenne par cellule nécessite un examen de plusieurs facteurs. Tout d' abord, le ratio moyen de FRET devrait être calculé comme la moyenne des rapports à chaque pixel dans une cellule, à savoir, (Σ (QE/cAem)) / (nombre de pixels), au lieu de la ratio du QE moyen et Aem dans une cellule, à savoir (ΣQE) / (ΣcAem). Bien que ce dernier ne nécessite pas de masquage prudent car le bruit de fond est faible, il sous-estime gravement le vrai ratio moyen de FRET. Cependant, les rapports de pixels nécessitent calcul à virgule flottante et masquage binaire attentif de la surface de la cellule pour définir la ROIs et éviter l'inclusion des ratios parasites générés par le bruit de fond extérieur de la cellule. La zone de la cellule entière doit être quantifiée pour éviter des résultats de sollicitation sur la forme des cellules. Le masquage peut devoir être redéfini au fil du temps en fonction des changements dans la forme et la migration cellulaire. Alternativement, ROIs plus grande que la cellule peut être utilisée si les critères d'exclusion sont définis pour éliminer les ratios de pixels de QE et des signaux Aem qui tombent bien en dessous des niveaux cellulaires et sont des niveaux de fond à proximité. Les méthodes d'analyse décrit en détail les étapes de base utilisées dans ce travail pour l'analyse FRET sans spécialisés logiciels / plugins. Les fabricants de microscopes et d'autres fournisseurs vendent module complémentaires pour leur logiciel de microscope, qui soutiennent ratiométrique automatisé et FRET analyse. De même, le logiciel ImageJ du domaine public a plusieurs plugins disponibles pour particules et l'analyse FRET, comme RiFRET. D'autre part, le ratio FRET moyen à base de pixels sous-estime le vrai rapport moyen de la structure cellulaire 3D, car une image 2D est utilisé. Les signaux 2D représentent la moyenne et le long de l'axe z. Calcul de la distribution spatiale 3D de rapports FRET dans des cellules vivantes est pas possible sans imagerie 3D à grande vitesse (par exemple., En utilisant la filature disque microscopie confocale). Ceci est un problème à la fois en 2D et 3D cultures, mais a un effet plus important en 3D comme plus de la structure cellulaire existe en dehors du plan. Ceci est une grande préoccupation pour les sondes qui localisent à des structures cellulaires, telles que la membrane plasmique sonde EPAC1 PM-ICUE. Voir Spiering et al. 2013 pour des suggestions pour corriger les effets de l' épaisseur de la cellule sur les calculs des ratios 24. L'analyse de la distribution de Aem peut être utilisé pourdétecter si la sonde accumule dans les régions du plan d'imagerie cellulaire et ajustée. Cela aidera également à interpréter la répartition spatiale des ratios de FRET et d'éliminer des résultats erronés, par exemple., Identifier la saturation de la sonde (ie, une région à faible Aem aura concentration de la sonde basse et peut présenter une saturation de la sonde et ratio élevé de FRET). Troisièmement, les différents niveaux de référence FRET peut indiquer une différence dans l'efficacité de transfection, la sonde d'expression, ou la signalisation de base entre les groupes expérimentaux. "Analyse Relative" (étape 10.1.1) permet de supprimer la dérive dans le rapport de FRET au fil du temps si elle est présente. Il facilite la comparaison de l'importance relative des réponses entre les échantillons, mais empêche la comparaison de l'évolution temporelle de la réponse pour l'échantillon de référence (parcelle témoin est une ligne plate). "Analyse absolue" (étape 10.1.2) facilite la comparaison du taux de réponse à travers des échantillons, mais entrave la comparaison de l'ampleur de la réponse parce que chaque ligne est mise à l'échelle par un dissimconstante ilar. Des études ont souvent recours à une régression linéaire sur la ligne de base pour corriger la dérive du ratio FRET au cours du temps.
La méthode 3D FRET décrit est un moyen utile et pratique à fabriquer et à réaliser une imagerie time-lapse de cellules hydrogels 3D chargés, qui peuvent être appliquées à d'autres sondes et modalités d'imagerie. Autre système FRET en plus des sondes binaires à une seule chaîne, il faudra plus de correction complexe de signaux d'intensité sur la base, tel que discuté ci-dessus. En variante, la durée de vie de fluorescence FRET imagerie (FLIM-FRET) peut être utilisée pour calculer l'efficacité de FRET par l'intermédiaire d'un changement dans la durée de vie d'émission du donneur de la sonde. Contrairement à l' intensité en fonction FRET, FLIM-FRET est insensible au bruit de fond, spectrale transpercement, rendement quantique, et le détecteur de sensibilité spectrale 2. Cependant, les systèmes FLIM sont coûteux, complexes et rares, et fonctionnent mieux avec des fluorophores avec un seul désintégration de l' exposant et sans FLIM run-off 49. Le procédé décrit peut également être utilisé avec des more plates – formes de microscopie de pointe (par exemple., FRET-FRBR, anisotropie de fluorescence, et spectrale corrélation FRET). L'application de cette méthode pour l'imagerie 3D avec confocal à haute vitesse et la microscopie multiphotonique facilitera l'analyse de la distribution sub-cellulaire de la réponse de signalisation et d'augmenter la précision de l'analyse de signalisation. Cette méthode 3D FRET permettra avancées des études de biologie cellulaire en microenvironnements cellulaires 3D simulées. En tant que tel, il peut être facilement appliquée à la pharmacologie et de la médecine régénératrice besoins, y compris l'étude de signalisation intercellulaire et de criblage de médicament en réponse microtissues à base d'hydrogels modifiés.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs reconnaissent le soutien financier de l'École de médecine dentaire à l'Université de Pittsburgh, les National Institutes of Health Award K01 AR062598 et subvention P30 DE030740. Les auteurs remercient également le Dr Jin Zhang pour le plasmide ICUE1, Wayne Rasband pour développer ImageJ et Michael Cammer pour la macro ImageJ.
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 |