Görüntüleme kaynaklı ortalama kare yer değiştirme (iMSD) analizi, makropinozomlara yapısal ve dinamik özellikler açısından içsel zaman evrimleşen doğalarını vurgulamak için uygulanır. Makropinozomlar daha sonra zaman değişmez ortalama yapısal / dinamik özelliklere sahip hücre altı yapılar için bir referans olarak insülin salgı granülleri (ISG’ler) ile karşılaştırılır.
Görüntüleme kaynaklı ortalama kare yer değiştirmesi (iMSD), çözünenlerin ve biyomoleküllerin endo / ekzositotik kaçakçılığında rol oynayan veziküller gibi hücre altı nanoyapıların yapısal ve dinamik özelliklerini ele almak için kullanılır. iMSD standart hızlandırılmış görüntülemeye dayanır, herhangi bir optik kurulumla uyumludur ve yörüngeleri ayıklamak için tek nesneler üzerinde durması gerekmez. Her bir iMSD izinden, ortalama yapısal ve dinamik parametrelerin (yani, boyut, yerel difüzyon, anormal katsayı) benzersiz bir üçlüsü hesaplanır ve incelenen nanoyapının “iMSD imzasını” oluşturmak için birleştirilir.
Bu yaklaşımın gücü, burada örnek makropinozomlar vakası ile kanıtlanmıştır. Bu veziküller zamanla gelişir ve hücre içi kaçakçılığın erken ve geç aşamalarından geçen ortalama boyutlarını, sayılarını ve dinamik özelliklerini değiştirir. Bir kontrol olarak, insülin salgı granülleri (ISG’ler), tüm nesne popülasyonunun ortalama yapısal ve dinamik özelliklerinin zaman içinde değişmez olduğu sabit bir durumda yaşayan hücre altı yapılar için bir referans olarak kullanılır. iMSD analizi, bu tuhaf özellikleri nicel olarak vurgulamakta ve hem fizyolojik hem de patolojik durumlarda hücre altı düzeyde benzer uygulamalara yol açmaktadır.
Hücre altı nanoyapılar (örneğin, endositik / salgı vezikülleri, organeller) hücre sinyal regülasyonunda çok önemli bir rol oynar1. Yapısal (örneğin, boyut) ve / veya dinamik (örneğin, difüzyon) özelliklerinin uygun şekilde ayarlanması, hücrenin iç veya dış uyaranlara nasıl tepki verdiğini belirler 2,3,4. Bu kanıtlara dayanarak, bu özelliklerin değişikliklerinin birçok patolojik durumda bulunması şaşırtıcı değildir. Örnekler, yanlış düzenlenmiş endositozun kanser 2,3’teki rolünü,Tip-2 Diyabet koşullarına maruz kalan β hücrelerde ISG’ler düzeyinde bulunan yapısal ve dinamik değişiklikleri5, globoid hücreli lökodistrofi veya galaktosilseramidlipidozda lizozomal yapısal ve taşıma özelliklerinin yanlış düzenlenmesini ve nörodejeneratif bozukluklarda endolizozomal yolaktaki işlev bozuklukları (örneğin, Alzheimer hastalığı)7’yi kapsamaktadır.
Bu bağlamda, araştırmacılar yakın zamanda standart optik mikroskopi yöntemlerinin performansının, mekansal ve zamansal örnekleme çözünürlüğü8’in uygun şekilde ayarlanmasıyla geliştirilebileceğini kanıtlamışlardır. Bu da, biyolojik ilgili süreçler hakkında daha fazla bilgi sağlayabilir. Uygulamada, bu, yayılan nesnelerin ortalama yapısal ve dinamik özelliklerini, ilgilenilen biyolojik nesne hakkında ön bilgiye ve tek nesneli yörüngelerin çıkarılmasına gerek kalmadan doğrudan standart optik mikroskopi görüntüleri yığınından eşzamanlı olarak çıkaran bir uzaysal zamansal dalgalanma analizi algoritması ile mümkün olmaktadır. Tüm bu bilgiler yöntemin tek bir çıktısına dahil edilmiştir: bir iMSD izleme9 (iMSD iz türetme ve analizi ile ilgili ayrıntılar Ek Dosya 1’de verilmiştir).
Ortaya çıkan deneysel protokol birkaç adımdan oluşur. İlk olarak, ilgilenilen bölgenin görüntülenmesi yüksek zamansal çözünürlükte gerçekleştirilir. Daha sonra, ortalama uzaysal-zamansal korelasyon fonksiyonları görüntü yığınından hesaplanır. Son olarak, korelasyon fonksiyonları serisinin Gauss uydurma yoluyla, ortalama ‘difüzyon yasası’ doğrudan görüntülemeden elde edilir ve nesne difüzyon modunu tanımak için analiz edilir. Yöntemin potansiyeli, moleküllerden nanopartiküllere ve hatta tüm hücre altı organellere / yapılara kadar çeşitli biyolojik nesneler için zaten kanıtlanmıştır 9,10,11,12,13,14,15.
Bu makale, makropinozomlara iMSD uygulamasını, ortalama (yani tüm popülasyon düzeyinde) yapısal ve dinamik özellikleri açısından içsel, geri dönüşümsüz zaman evrimleşen doğalarını vurgulamak için bildirmektedir. Ayrıca, bu endositik veziküller, ‘durağan bir durumdaki’ hücre altı yapılar için bir referans olarak ISG’lerle karşılaştırılır, yani tüm granül popülasyonunun ortalama yapısal / dinamik özelliklerinin herhangi bir zaman noktasında sabit kaldığı bir durum. Makropinositoz, plazma zarının genişletilmiş yeniden düzenlenmesi (veya karıştırılması) ile başlatılan ve daha sonra içselleştirilen harici bir makropinositik yapı oluşturmak için başlatılan bir dizi olayı tanımlar16. Oluşan erken evre makropinozomlar fagozomlara çok benzer. Aynı zamanda, karakteristik büyük boyutları, morfolojik heterojenlikleri ve protein kaplama yapılarının eksikliği nedeniyle diğer endositik vezikül formlarından ayırt edilebilirler.
Biyokimyasal tahliller, içselleştirildikten sonra, makropinozomların giderek diğer endositik yolların protein belirteçleri ile zenginleştiğini ve bunun da insan ticareti sırasında kimliklerinin sürekli değiştiğini gösterdiğini ortaya koymuştur17. Endozomal yolun bilinen belirteçlerine karşı antikorlar kullanılarak, makropinozomların klasik endozomal özellikleri aşamalı olarak benimsedikleri gösterilmiştir: boyut olarak küçülürler, geç endositik yapılara (örneğin, lizozomlar) dönüşürler veya sonunda spesifik moleküler belirteçlerin membran aracılı olarak alınması yoluyla kimliklerini kaybederler (örneğin, neksinlerin sıralanması)18,19 . Genel senaryo, hücre içindeki her bir makropinozomun, plazma zarından nihai hücre içi kaderine kaçakçılık sırasında yapısal ve dinamik (ve aynı zamanda moleküler) kimliğini geri dönüşümsüz olarak değiştirmesidir. Sonuç olarak, makropinozomların tüm popülasyonunun yapısal/dinamik/moleküler özellikleri de aynı zamansal yol boyunca değişmektedir. Gözlemlenen nesnelerin tüm popülasyonunun ortalama özelliklerine içsel olarak duyarlı olan iMSD yöntemi, anahtar ortalama parametrelerin, yani yerel difüzyon ve anormal katsayının (dinamik özellikler) ve makropinozomların ortalama büyüklüğünün (yapısal özellikler) hücre içi kaçakçılığının herhangi bir aşamasında nicelleştirilmesiyle ‘evrimleşen doğayı’ nicel olarak tasvir eder.
Karşılaştırma için, benzer ölçümler, β hücreli bir modelde, iyi bilinen hücre içi membranla çevrili bir yapı olan ISG üzerinde gerçekleştirildi. Makropinozomlar gibi, ISG’lerin yapısal ve dinamik özelliklerinin düzenlenmesi, Trans Golgi Ağı’ndaki (TGN) oluşumlarından plazma zarındaki ekzositozlarına kadar, ISG fonksiyonunun20’nin düzgün bir şekilde yürütülmesi için çok önemlidir. Bununla birlikte, makropinozomların aksine, ISG’ler, herhangi bir zamanda, ISG ömrünün tüm işlevsel / yapısal / moleküler aşamalarının hücre içinde aynı anda mevcut olduğu ve her birinin ISG’lerin belirli bir alt popülasyonu ile temsil edildiği ‘durağan bir durumda’ yaşar. Bu, her bir granülün biyogenezden sekresyona geri dönüşümsüz bir şekilde evrimleşmesine rağmen, tüm granül popülasyonunun ortalama yapısal/dinamik özelliklerinin herhangi bir zaman noktasında sabit kalması beklendiği anlamına gelir (durağan durum koşulları, örneğin glikoz, kolesterol ve sitokinler gibi dış uyaranlar tarafından değiştirilmediği sürece, 13). Bu, iMSD analizi ile doğrulanır.
iMSD’nin özellikleri ve avantajları, benzer bilgileri almak için mevcut tekniklerle karşılaştırıldığında belirgindir. Yapısal bilgi için tercih edilen seçenek transmisyon elektron mikroskobu (TEM) analizidir. Bu yöntemle, moleküler çözünürlükte ve hatta ötesindeki ultrayapısal detaylar, hücre altı nanoyapılar için bile elde edilebilir. Bununla birlikte, TEM’in kendine özgü mekansal çözünürlüğü, burada ilgi çekici olan zamansal boyuttaki bilgilerin pahasına elde edilir. Bunu telafi etmek için, canlı hücre görüntüleme teknolojilerindeki son gelişmeler özellikle ilgi çekicidir. Bunlar arasında daha yüksek performansa sahip yeni floresan işaretleyiciler (örneğin, parlaklık ve fotostabilite), optimize edilmiş etiketleme prosedürleri ve daha hassas dedektörler bulunur. Ek olarak, hem yapısal (örneğin, yerel görüntü korelasyon spektroskopisinin fazör tabanlı analizi ile ‘boyut’, PLICS23, Sayı ve Parlaklık analizi 24 ile toplama/oligomerizasyon) hem de dinamik (örneğin, tek parçacık izleme ile difüzyon yasası, yani (SPT) 25,26,27,28 ) hücre altı ölçekte parametreler. SPT yöntemi, nesne yörüngesine ve MSD’sine doğrudan erişim sağlar. Bununla birlikte, dezavantajı, probun düşük yoğunluğuna ve çok parlak etiketlere ve istatistiksel kriterleri karşılamak için ölçülecek birçok tek nesneli yörüngeye duyulan ihtiyaçtır. Ölçümün zamansal çözünürlüğü ile ilgili olarak, inorganik, fotoğraflanabilir problar (örneğin, kuantum noktaları veya metal nanopartiküller) SPT performansını artırabilir, ancak karmaşık üretim ve etiketleme prosedürleri pahasına.
Bu standartlarla karşılaştırıldığında, burada açıklanan iMSD yöntemi bazı önemli avantajlar göstermektedir. İlk olarak, bu yaklaşım genetik olarak kodlanmış floresan proteinler (örneğin, ISG’lere uygulama) gibi nispeten loş floresan etiketlerle birlikte kullanılabilir. Böylece, SPT ile karşılaştırıldığında,8 gereken daha düşük foton miktarı nedeniyle daha yüksek bir zamansal çözünürlük elde edilir (aynı etiket kullanılarak). İkincisi, iMSD yöntemi sadece zamansal çözünürlükle sınırlıdır, kırınım ile sınırlandırılmaz. Aslında, kullanılan kırınım sınırlı optik kuruluma rağmen, STICS29 kullanılarak moleküler akışlar için daha önce gösterildiği gibi, kırınım sınırının altında bile ortalama moleküler yer değiştirmeler ölçülebilir. Yer değiştirmelerin ölçümündeki gerçek çözünürlük, korelasyon fonksiyonunun ne kadar doğru (sinyalden gürültüye kadar) ölçülebileceğine bağlıdır, böylece neden kırınım ile sınırlı olmadığını açıklar. Bu nedenle, ölçülebilen minimum yer değiştirmenin, ilgilenilen nesnenin difüzyonuna ve görüntüleme kurulumunun zamansal çözünürlüğüne bağlı olduğu açıktır.
Bu bağlamda, makropinozomlar veya insülin granülleri gibi hücre altı nanoyapılara lazer tarama mikroskobu ile uygulamanın optimal olduğunu düşünmek önemlidir: mevcut tarama hızı, ilgilenilen nesnenin dinamiklerinden önemli ölçüde daha yüksektir. Böyle bir durumda, edinim sırasında nesnelerin hareketi ihmal edilebilir düzeydedir ve korelasyon fonksiyonu bir Gauss fonksiyonu ile yaklaştırılabilir. Son olarak, iMSD yaklaşımı, sistem kalibrasyonuna gerek kalmadan raster taramasına veya geniş alan kamera tabanlı görüntülemeye dayalı çok çeşitli ticari optik mikroskopi kurulumlarına kolayca uygulanabilir (yalnızca partikül boyutunun doğru bir tahmininin elde edilmesi gerektiğinde gereklidir). Yöntemin çalışması için önemli bir parametre, uygun uzamsal örneklemedir. Genel bir kural olarak, uygun algoritmanın tatmin edici bir yakınsamasına ulaşmak için, görüntüleme için ilgilenilen bölgenin minimum büyüklüğü, ilginin maksimum yer değiştirmesinden en az 3 kat daha büyük olmalıdır.
Sonuç olarak, iMSD yöntemi sadece hızlı elde etmek için donanımlı bir mikroskop gerektirir. İlgilenilen yapı, genetik olarak kodlanmış veya organik floroforla etiketlenebilir, böylece çok kanallı görüntüleme sağlanır. Çapraz iMSD analizinin yakın gelecekte hücre altı nanoyapıların alt popülasyonlarını seçmek ve hücre içindeki etkileşimlerini ve birlikte difüzyonlarını ortaya çıkarmak için kullanılacağı, ikincisinin hücresel biyofizikte sıcak bir konu olduğu öngörülmektedir. iMSD analizi ile herhangi bir ayrıntı kaybolursa, bu kesinlikle dinamik hücre altı nanoyapılar içindeki büyük miktarda moleküler bilgi ile ilgilidir. Bu tür bilgiler, zayıf zamansal çözünürlük nedeniyle ölçüm sırasında kaçınılmaz olarak ortalamasını alır. Bununla birlikte, teorik olarak, yeterli elde etme hızlarına ulaşılabilmesi koşuluyla, moleküler bilgi alma olasılığı nedeniyle teknik bir sınır yoktur8. Dedektör hızı/duyarlılığı ve görüntüleme teknolojilerindeki sürekli gelişmeler nedeniyle, tüm hücre altı bölmesi ve moleküler bileşenleri hakkındaki bilgilerin tek bir veri kümesinden çıkarılması öngörülmektedir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma, Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 Araştırma ve İnovasyon Programı (hibe anlaşması No 866127, proje CAPTUR3D) kapsamında Avrupa Araştırma Konseyi’nden (ERC) finansman almıştır.
100x Penicillin-Streptomycin-Glutamine | Gibco | 10378-016 | Cell medium supplement |
C-peptide-EGFP | Plasmid | ||
DMEM High Glucose | Gibco | 31053028 | Cell medium (HeLa) |
FBS | Gibco | 10082147 | Cell medium supplement |
Fluorescein isothiocyanate-dextran 70 kDa | Sigma Aldrich | 46945-100MG-F | Reagent |
HeLa | ATCC | CCL-61 | Cell Line |
Lipofectamine 2000 | TermoFisher | 11668019 | Trasfection reagent |
Lysotracker Red DND-99 | Gibco | L7528 | Reagent |
Matlab | MathWork | Software | |
Microscope-suitable cell dishes | Willco | GWSt-3522 | Petri dishes |
Olympus FV1000 | Olympus Japan | Confocal microscope | |
RPMI 1640 | Gibco | 11835063 | Cell medium (INS-1E) |