Burada B hücreleri üzerinde çekiş kuvveti mikroskobu deneyleri yapmak için kullanılan bir protokol salıyoruz. Yumuşak poliakrilamid jellerin hazırlanmasını ve işlevselleştirilmesinin yanı sıra mikroskopta veri toplama ve veri analizinin bir özetini anlatıyoruz.
Çekiş kuvveti mikroskobu (TFM), bir hücretarafından bir alt tabaka üzerinde üretilen kuvvetlerin ölçülmesini sağlar. Bu teknik, elastik bir substrat üzerinde çeken bir hücre tarafından üretilen deneysel olarak gözlemlenen bir yer değiştirme alanından çekiş kuvveti ölçümleri çıkartır. Burada, B hücre reseptörünün antijen etkileşimi ile aktive edildiğinde B hücreleri tarafından uygulanan kuvvet alanının mekansal ve zamansal yapısını araştırmak için TFM’yi uyarladık. Jel sertliği, boncuk yoğunluğu ve protein fonksiyonelizasyonu, hücre yüzey reseptörleri için özellikle ligandlara etkileşen ve özellikle yanıt veren nispeten küçük hücrelerin (~ 6 μm) incelenmesi için optimize edilmelidir.
B hücreleri bağışıklık sisteminin antikor üreten hücreleridir. Adaptif immün yanıtı etkinleştirmek için, ilk olarak yerel bir biçimde antijen elde (yani, işlenmemiş) belirli bir reseptör aracılığıyla B hücre reseptörü (BCR)1. Bu süreç lenf nodül B hücre bölgesinde oluşur. Bazı antijenler lenfatik sıvılar yoluyla B hücresine ulaşabilse bile, çoğu antijen, özellikle yüksek molekül ağırlığına sahip (>70 kDa, lenfatik kanallar için sınır boyutudur) gerçekten de bir antijen sunucu hücre (APC) yüzeyinde kendi yerli formunda sunulur, genellikle bir subkapsüler sinüs makrofaj veya foliküler dendritik hücre, lektin veya Fcs (non-spesifik reseptör) ile. Bu hücre ile temas BCR APC ilişkili antijenler üzerinde kuvvet uygular bir bağışıklık sinaps oluşumuna yol açar. Bir antigenin BCR’ye bağlanması BCR sinyalini başlatır ve bu da kuvvet üreten mekanizmaları harekete geçirir. Bu kuvvetler BCR sinyalini yükseltmek için önemli olabilir, ama aynı zamanda B hücrelerinin antijeni ayıklayıp içselleştirmesi için de gereklidir.
Son çalışmalar BCR gerçekten mechanosensitive olduğunu göstermiştir2. Örneğin, daha sert yüzeyler gelişmiş BCRsinyal3ortaya çıkarır. Ayrıca, bağışıklık sinaps üretilen kuvvet antijen e afinitesini araştırmak ve böylelikle yakınlık ayrımcılıksağlamakiçin tek BCR çeker 4 . Bu nedenle, B hücrelerinin antijen sunumuna mekanik yanıtını araştırmak ve bu yanıtı, karışan reseptörlerin türü (IgG/IgM)5,yap- izyon molekülleri (integrin ligandlar) veya farmakolojik ve genetiği değiştirilmiş hücrelerde (yani BCR sinyalizasyonuveya sitoiskeletinin protein aşağı akımının susturulması) açısından incelemek ilginçtir 6 .
Bir hücrenin fizyolojik sertlik alt tabakasına tepkisini gözlemlemek için kullanılan basit bir yöntem ve aynı zamanda substrat üzerinde uygulanan çalışma kuvvetleri Çekiş Kuvveti Mikroskopisi (TFM). TFM, elastik bir substrat üzerinde çekerek hücre tarafından üretilen deplasman alanını gözlemlemekten oluşur. Başlangıçta jel deformasyonfaz-kontrastmikroskobu 7 tarafından elastomer kendisi kırışıklıkları ile gözlendi , ancak daha iyi çözünürlük için izin ve o zamandan beri standart8haline gelmiştir fidusikal belirteçler olarak floresan mikroboncukların eklenmesi . Bu yöntem yapışık hücreler, dokular ve hatta jellere gömülü organoidler tarafından uygulanan çekiş kuvvetini araştırmak için kullanılmıştır. TFM çeşitli varyasyonları dahil olmak üzere9 geliştirilmiştir, süper çözünürlüklü mikroskopi ile kombinasyon (yani, STED10 veya SRRF11), TIRF mikroskopisi için izin jel kırılma indeksi modifikasyonu12, nano baskılı desenler ilerle boncuk yerine13, ve düz yüzey yerine nanopillar kullanarak14. Bu varyasyonların tam bir incelemesi için Colin-York ve ark.15’ebakın.
Burada sunulan protokol, B hücrelerinin antijen kaplı bir alt tabaka üzerinde uyguladığı kuvvetleri ölçme prosedürünü tanımlar. Bu kuvvetler ligandlar (antijen) onları kümelemek ve daha sonra antijen sunan substrat onları ayıklamak için uygulanır. Standart TFM protokolünü fizyolojik antijen sunan yüzeylerin sertliğini, B hücrelerinin boyutunu ve ilgili kaplamasını taklit etmek için uyarladık. Bu protokol aynı anda birden fazla hücrenin incelenmesine olanak sağlar ve floresan mikroskopi teknikleri ve kimyasal tedaviler ile birlikte kullanılabilir. Ancak, optik cımbız16,moleküler gerilim probları17,18,biyomembran kuvvet probları19ve atomik kuvvet mikroskobu20 daha uygun teknikler olan tek molekül kuvvet ölçümleri, sonda amaçlamaz. Diğer tek hücre kuvveti ölçüm yöntemleriyle karşılaştırıldığında (örneğin, mikropipetler21 veyamikroplakalar 22)TFM, ~300 nm çözünürlüğe sahip sinapsta uygulanan kuvvetlerin tam bir haritasının yeniden yapılandırılmasına olanak sağlar. Bu, yüzeyde uygulanan kuvvetlerdeki spatio-temporal desenleri tanımlamak ve jel konfokal görüntüleme ile uyumlu olduğu için, bunları spesifik proteinlerin (örneğin, sitoiskelet ve sinyal proteinleri) işe alınmasıyla ilişkilendirmek için yararlıdır.
3D TFM mümkün olsa da, kullandığımız sertlik ve kurulum ile uyumlu değildir. 3D deformasyonlar çıkıntı kuvveti mikroskopisi gibi diğer daha karmaşık kurulumları ile ulaşılabilir (AFM hücrelerin plakalı bir deforme membran tarama)23,24 ve elastik rezonatör girişim stres mikroskopisi (ERISM, ışık için rezonans boşluğu olarak hareket eden bir jel ve birkaç nanometre doğruluğu ile substrat deformasyonları vurgulayarak)25. Bu teknikler çok umut verici olmasına rağmen, henüz B hücrelerinde kullanılmamıştır. Nanopillar14gibi Diğer TFM türleri, daha fazla tekrarlanabilir yüzeylere sahip olmak için kullanılabilir. Ancak, hücre sütunları içine nüfuz ettiği için bu geometri yumuşak hücrelere adapte edilmez ve bu da analizi zorlaştırır. Bu yaklaşım gerçekten t hücrelerinde hücrenin26sütunları etrafında yapılar inşa etme yeteneğini gözlemlemek için kullanılmıştır.
Sadeliği rağmen, Poliakrilamid jelleri kullanarak TFM birçok hücrenin eşzamanlı gözlem sağlar ve kolay ve ucuz bir tezgah ve epifloresan mikroskop ile donatılmış herhangi bir laboratuvarda uygulanabilir (biz konfokal / iplik disk tavsiye rağmen).
Bir APC fizyolojik sertlik taklit etmek için, ~ 500 Pa27 sertlik ile poliakrilamid jeller kullanılan ve antijenleri aktive ile jel fonksiyonel. Bu protokolde poliakrilamid jelin yüzeyini tavuk yumurtası lysozyme (HEL) ile işlevsel hale getirilmiştir. Bu antijen bağlama alanının angajman yoluyla BCR uyarılması tarafından oluşturulan kuvvetlerin ölçümü için izin verir. Bu antijenin ve MD4 farelerinin HEL spesifik B hücrelerinin kullanımı, antijen ligasyonuna yanıt olarak nispeten düzgün kuvvet oluşumunu sağlar28. Ancak, diğer moleküller (B6 fareler için anti-IgM gibi) jel üzerine aşılanmış olabilir, ancak bu durumlarda üretilen kuvvetler daha heterojen ve daha az yoğun olabilir. B hücreleri küçük hücreler (çap ~6 μm) olduğundan, boncuk sayısı maksimal ama yine de izlenebilir olarak optimize edilmiştir. Kendi substratları üzerinde ~ kPa kuvvetleri uygulamak büyük hücreler için, bir nispeten seyrek boncuk lar kullanarak tatmin edici sonuçlar elde edebilirsiniz veya basit parçacık görüntü velocimetry gerçekleştirerek (PIV) deformasyon alanı yeniden. Ancak, ~50 Pa kadar küçük stres uygulayan B lenfositler gibi küçük hücreler için, deformasyon alanını yeniden oluştururken istenilen doğruluğa ulaşmak için tek partikül izleme (parçacık izleme velocimetry, PTV) kullanımı gereklidir. Boncukları tek tek güvenilir bir şekilde takip edebilmek için objektif lensin büyütülmesi en az 60x ve 1.3 civarındaki sayısal diyafram açıklığı olmalıdır. Bu nedenle, jeller nispeten ince olmalıdır (<50 μm), aksi takdirde boncuklar hedefin çalışma mesafesi üzerinde olduğu gibi görünür değildir.
Ana protokol üç bölümden oluşur: jel hazırlama, jel fonksiyonelleştirme ve görüntüleme; iki bölüm daha isteğe bağlıdır ve floresan hücrelerin antijen ekstraksiyon nicelleştirme ve görüntüleme adamıştır.
Burada açıklanan TFM yöntemi, B hücrelerinin aktif mekanik yeteneklerinin sistematik olarak incelenmesine olanak sağlar. B hücreleri bağlamında, bu antijenayık ve içselleştirmek yeteneği ile ilgilidir. Diğer TFM yöntemleri ile karşılaştırıldığında, burada sunulan protokol basit ve oldukça tekrarlanabilir: sertlik, bir cam mikrosfer girintisi ile ölçülen ve Hertz modeli kullanılarak, arasında 400 ve 600 Pa. Benzer protokoller başarıyla B hücreleri için sadece kullanılmıştır35 ama aynı zamanda T hücreleriiçin 36. Nanopillars ile karşılaştırıldığında (Ayrıca T lenfositler için kullanılan37) düz homojen bir yüzey sağlar, bu nedenle jel etkileşimi esas olarak yüzeye teğet olarak kısıtlanmış olarak sonuçları yorumlamak daha kolaydır.
Tarif ettiğimiz protokol, B hücrelerinin antijen sunan yüzeyler üzerinde uyguladığı kuvvetlerin spatiotemporal dinamiklerine erişim sağlar. Mekansal düzeyde bu kuvvetlerin lokalizasyonu hakkında bilgi sağlar ve floresan mikroskobu ile birlikte, deneyci belirli moleküllerin varlığı ile yerel kuvvetleri ilişkilendirmek için sağlar (yani, sitoiskelet veya BCR sinyal kaskad bileşenleri). Zamansal düzeyde, zaman noktası başına bir değer sağlamak ve gürültüyü azaltmak için miktarları (toplam enerji veya toplam stres gibi) entegre etmek mümkündür. Bu zaman içinde çekiş kuvvetevrimi gözlem sağlar (büyüme ve plato) ve pulsatil desenlerin varlığı.
Analiz için kritik deneysel yönleri aşağıdaki gibi açıklanmıştır. (i) Hücre yoğunluğu: doğru bir analiz yapmak için, hücreler yeterince ayrılmalıdır. Bir hücrenin etrafında kendi boyutunda boş bir bölge varsa analiz edilebilir olduğunu düşünüyoruz. (ii) İletim görüntüsü: Deney sırasında analizde maske olarak kullanılmak üzere hücrelerin en az bir iletim görüntüsünün toplanması tavsiye edilir. (iii) Resimdeki boncuk sayısı: yalnızca sinapstaki boncuk sayısının 30 ile 200 arasında olduğu (yani 1-8 boncuk/μm²) görüntüleri analiz etmenizi öneririz. Düşük yoğunluklar yeterli harita deplasman rekonstrüksiyonuna izin vermez. Yüksek boncuk yoğunluğu tek parçacık takibini güvenilmez yapar. (iv) Deney sırasında boncuk sayısı sabit olmalıdır; ancak, görüntüleme koşullarında (özellikle birbirine çok yakın boncuklarda) küçük değişkenlik nedeniyle dalgalanmalar oluşabilir. Odak kayması, meydana geliyorsa, düzeltilmeli ve sorunlu çerçeveler atılmalıdır. (v) Jel kalitesi: çok fazla çatlak, boncuk dağılımında değişkenlik veya çok kalın jeller ile jeller atılmalıdır. (vi) Hücre tipine bağlı olarak, tekrarlanan maruziyetlerden sonra, geç zaman noktalarındaki hücreler (>300 kare) fototoksik etkilere maruz kalabilir. Bu verilerle karşılaştırıldığında bir “taban çizgisi” olarak hücrelerden yoksun bir maske üzerinde programı çalıştırmak için tavsiye edilir. Bu sadece deneysel koşullar nedeniyle gürültü seviyesinin bir büyüklük sağlar.
Klasik yapışmada çekiş kuvvetini ölçmek için kullanılan jeller odak yapışmasında meydana gelen süreçlerin araştırılmasına olanak sağlar (aktin akımları ve sinyal moleküllerinin işe alınması)—kuvvetlerin uygulandığı noktalar38,39. Ancak, sinapstaki kuvvetler odak yapışıklıkları ile uygulanmaz. B hücresi immün sinapslarında kuvvet oluşumunun spatiotemporal paterni yakın zamana kadar bu yöntem kullanılarak nicel olarak araştırılmamıştır. TFM kullanarak, biz ilk kez gözlenen, B hücre immün sinaps kuvvet desenleme, bizim son çalışmada sunulan6, lenfositler çalışmada cesaret verici bakış açıları açılması.
Özellikle, bu yöntem kuvvet hesaplaması için bir referans görüntü olarak jel üzerinde hücrelerin gelmeden önce çekilen bir görüntü kullanır. Her zamanki TFM protokolleri deney sonunda referans görüntü alarak öneririz, trypsin ile hücreleri ayırdıktan sonra; bu, deneycinin hücreler açısından zengin bir bölge aramasını sağlar. Bu da burada mümkün olsa da, tripsin antijen kaplı jel B hücrelerini ayırma oldukça verimsiz, bir kopma ve jel modifikasyon ve hareketleri riski (tüm veri seti kullanılamaz yapmak) için uzun beklemek gerekir daha yüksektir.
Burada sunulan yöntem esnektir ve diğer proteinlerin jel yüzeyine (örneğin, integrin ligandlar ve immünglobulinler test edilmiştir) ve hatta floresan antijene aşılanmasına olanak sağladığından, bağışıklık sinapstaki diğer sinyallerin etkisini incelemek için uygulanabilir (bkz. bölüm 4). Ayrıca, hücreler ilaç tedavisi ve lokal tedirginlikler için deneyci için erişilebilir kalır. Son olarak, yöntem de sabit hücreleri görüntüleme ile uyumludur. Bu gözlemler için jelin bir kapak kayması üzerinde kullanılması, hücreleri lekelemesi, kapak kaymasını kaydırak üzerine yapıştırması ve ancak daha sonra montaj ortamı ve başka bir kapak kayması eklemesi önerilir. Gözlem daha sonra jel aracılığıyla görüntünün bozulmasını önlemek için üst jel ile yapılacaktır.
Olası tuzaklar polimerizasyon ve kaplama jel değişkenliği vardır. Polimerizasyon problemleri esas olarak başlatıcı/katalizör kalitesinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca, jel, özellikle montaj dan hemen sonra kullanılmaz, şişirmek olabilir. Bu sorun önemli ölçüde jel mekanik özelliklerini etkilemek için görünmüyor, ama etkili jel işe yaramaz hale, amaç için ulaşılmaz boncuk tabakası yapabilirsiniz. Bu sorun ortaya çıktığında her durum için ekstra jel hazırlamanızı öneririz. Kaplamada da belirli bir değişkenlik olabilir ve sulfo SANPAH’ın taze seyreltilmesi çok önemlidir.
Sonuç olarak, BCR ligand tarafından aktive edildiğinde immünolojik sinapsta B hücreleri tarafından uygulanan kuvvetleri ölçmek için basit, ucuz ve tekrarlanabilir bir yöntem tanımladık. Bu uygun reseptör ligand kullanımı ile diğer ligands ve lenfositler (bellek B hücreleri, T hücreleri, vb) diğer tür reaksiyon çalışması için adapte edilebilir.
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar eleştirel okuma için M. Bolger-Munro teşekkür ve Nikon Görüntüleme Center@CNRS-InstitutCurie ve PICT-IBiSA, Institut Curie, Paris, Fransa-BioImaging ulusal araştırma altyapısı üyesi, görüntü edinimi ve Curie Hayvan Tesisi destek için kabul. PP CNRS tarafından desteklendi. AK ve JP Paris Descartes Doktora bursu ve Ecole Doctorale FIRE-Program Bettencourt tarafından desteklendi. Bu proje PP (ANR-10-JCJC-1504-Immuphy) ve AMLD (ANR-PoLyBex-12-BSV3-0014-001, ERC-Kayışacemi-GA 243103) hibe ile finanse edilmiştir.
3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) | Sigma-Aldrich | 281778 | Store aliquoted, protected from humidity |
40% Acrylamide Solution | Biorad | 1610140 | |
Alexa555 microscale protein labeling kit | Molecular Probes | A30007 | |
Ammonium Persulfate (APS) | Sigma-Aldrich | A3678 | |
B cell Isolation Kit, Mouse | Miltenyi Biotec | 130-090-862 | |
B-mercaptoethanol | Gibco | 31350-010 | |
2% Bis Solution | Biorad | 161-0142 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Euromedex | 04-100-812-C | |
Coverslip 18mm | VWR | 631-1580 | |
Fetal calf serum | PAA | A15-151 | Decomplemented (40min @56°C) |
Fluorodishes FD35 | World Precision Instruments, Inc | FD35100 | |
Fluosphere: carboxylate-modified, 0.2um, dark red | Molecular Probes | F8807 | |
Hen Egg Lysozyme | Sigma-Aldrich | L6876 | Stocked in aliquote 100mg/ml |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100X) | Thermofisher/Gibco | 11140035 | |
N,N,N',N'-tetrametiletilendiammine (TEMED) | Euromedex | 50406-B | |
PBS (Phosfate Buffer Saline) | Gibco | 10010-015 | |
Penicillin–streptomycin | Gibco | 15140-010 | |
RMPI 1640 – Glutamax I | Thermofisher | 61870-010 | |
Sigmacote | Sigma-Aldrich | SL2 | |
Sodium pyruvate | Gibco | 11360-039 | |
sulfosuccinimidyl 6-(4'-azido-2'-nitrophenylamino)hexanoate (Sulfo-SANPAH) | Thermo Scientific | 22589 |