Method Article
Here, we present a protocol to continuously quantify cell adhesion and de-adhesion processes with high temporal resolution in a non-invasive manner by cell-substrate impedance and live cell imaging analyses. These approaches reveal the dynamics of cell adhesion/de-adhesion processes triggered by matrix modification and their temporal relationship to adhesion-dependent signaling events.
Hücre-matris yapışma hücre morfolojisini kontrol ve sinyalizasyon önemli bir rol oynar. Hücre-matris yapışma (örneğin, miyeloperoksidaz ve diğer matris düzenleyici oksidanlar / iltihap sırasında ortaya çıkan enzimler) bozan etmenler de hastalıkların bir dizi hücresel fonksiyonu, fenotip ve canlılığı patolojik değişiklikleri tetikleyerek söz konusu olmaktadır. Burada, (a patofizyolojik matris düzenleyici uyarıcı olarak endotel hücreleri ve myeloperoksidaz ile), hücre-alt-tabaka empedans ve canlı hücre görüntüleme teknikleri kolayca doğru hücre yapışmasının ve matris modifikasyonu ile indüklenen de yapışma gerçek zamanlı değişiklikleri ölçmek için kullanılabilir açıklanmıştır Yüksek zamansal çözünürlüğe sahip ve non-invaziv bir şekilde. XCELLigence hücre alt-tabaka empedans sistemi sürekli altın mikroelektrot diziler üzerinde yetiştirilen hücreler, hücre-alt-tabaka ara yüzeyinde elektrik empedansı ölçmek suretiyle hücre-matris yapışma alanını ifade etmektedir. Resim analizi zaman atlamalı ayırıcısıcaklık üzerindeki girişim zıtlık filmler hücre-matris temas alanında değişiklikleri temsil eden zaman içinde, tek tek hücrelerin öngörülen alan değişiklikleri ifade etmektedir. Her iki teknik doğru hücresel yapışma ve de-yapışma süreçlerine hızlı değişiklikler ölçmek. Mikroelektrot biyosensör dizileri Hücre-substrat empedans sağlam, yüksek hacimli ölçümler için bir platform sağlar. Canlı hücre görüntüleme hücre-substrat empedans ölçümleri ile sayısal morfolojik değişikliklerin doğası ve dinamikleri ile ilgili ek detay sağlamak analizleri. Bu tamamlayıcı yaklaşımlar hücre içi hücre dışı matris bileşenleri miyeloperoksidaz-katalize oksidatif modifikasyonu hızlı hücre yapışması, morfolojisi değişiklikler ve endotel hücreleri sinyal tetikler nasıl değerli yeni anlayışlar sağlar. Bu yaklaşımlar, diğer matris-modifiye uyarılara ve ilgili diğer yapışıcı hücreler (örneğin, epitelyal hücreleri) yanıt olarak hücre yapışma dinamiğini çalışmak için de geçerlidir.
Hücreler ve kendi çevre hücre dışı matris arasındaki kararlı yapışkan temas doku homeostazının muhafaza için gereklidir. Örneğin, kan damarlarında endotel altı matris endotelyal hücre yapışma endotelyal tabakanın bütünlüğünü ve düzenleme, yarı geçirgen bir bariyer vasküler 1 olarak homeostatik fonksiyonunu korumada bir rol oynar. aktin hücre iskeleti mekanik merkezi yönlendirilmiş aktomizin çekme güçlerine karşı hücre zarı konumunu belirlemede önemli bir rol oynadığı hücre-matris arayüz de hücre-matris yapışma ve yapışkan temas bölgelerinde matris moleküllerini yapışkan ile birleştirilir. Mutlaka hücre-matriks arayüzünde güçler dengesini, hızla bir olay alter hücre-matriks yapışmasını değiştiren Ekstrasellüler uyaranlara "dış-iç sinyal" transdüksiyonunda sonuçlanan, mekano duyarlı sinyal proteinleri tarafından 'algılanan'. Bu çapraz-konuşma bahisrinde hücreleri ve kendi çevre hücre dışı matris hücre şekli, motilite, işlev proliferasyonu ve hayatta kalma 2 kontrol edilmesinde anahtar bir rol oynar.
Çeşitli pato-fizyolojik süreçler (embriyonik gelişme, iltihaplanma, yara iyileşmesi, kanser metastazı) matris derecelendirme oksidanlar ve / veya enzimler 3,4 yapışkan matris maddeleri dinamik yeniden ile karakterize edilir. Örneğin, kan damarlarında endotel altı matris proteinleri yapışkan (örneğin, fibronektin) bağlı reaktif oksidanlar lokal üretimi için insan iltihaplı hastalıklarda değiştirilmesi veya bozulması için önemli bir hedef olarak implike edilmiştir (örneğin, hipokloröz asit, HOCl) lökositten türetilmiş bir enzimle inflamatuar damar hastalığı (Şekil 1) 5-9 esnasında subendotelyuma içinde birikir miyeloperoksidaz (MPO),. MPO türetilmiş oksidanlar ve diğer matris-modifiye, uyarıcıya tepki olarak hücre-matris yapışma değişiklikler lik olanda endotel fonksiyonu ve bariyer bütünlüğünü bozarak endotel hücre sinyal, morfolojisi ve canlılığı, değiştirerek, örneğin; ely patolojik süreçlerin çeşitli sırasında vasküler homeostazı değiştirerek önemli roller oynamaya. Ancak, hücre dışı matriks değişiklikler yapışık hücrelerin morfolojik ve hücre sinyal tepkiler sadece anlaşılmaya başlıyor.
Matris değişiklikler hücre yapışması dinamikleri ve yapışma-bağımlı hücre sinyal yolları değişiklikleri sürücü anlamak için, teknikler doğru yüksek zamansal çözünürlüğe sahip, gerçek zamanlı hücre-matriks yapışma değişiklikleri ölçmek olduğunu gereklidir. Burada, biz tamamlayıcı hücre-substrat empedansını ve bu kriterleri yerine getirmek ve non-invaziv bir şekilde hücre yapışmasını ve de-yapışma süreçleri ölçmek için bir platform sağlamak canlı hücre görüntüleme teknikleri tarif.
Biz göstermek nasıl bu hücre-substrat empedans ve canlı hücre görüntüleme beğenmeağrıları hali hazırda hücre eki dinamiklerini izlemek ve doğal ve modifiye matris substratlar üzerine (örneğin, de novo hücre yapışması) yayılma ve (ii) (örneğin, de-yapışma hücre-matris ayrılma dinamiklerini ölçmek için (i) için kullanılabilir ) matris-modifiye uyaranlara maruz yapışık hücreler tarafından. XCELLigence hücre alt-tabaka empedans biyosensör sistemi 96 oyuklu altın mikroelektrot dizileri yüzeyinde elektrik empedansı ölçmek suretiyle hücre-matris temas alanının bir sürekli ölçme, "hücre dizini ', boyutsuz bir değerdir ve bu elektrik empedans ölçümleri ifade eden Ayrıca (yalıtım) hücre zarı ve elektrot yüzeyi 11 arasındaki ortalama mesafe değişikliklere duyarlı varlık iken, hücre-substrat teması 10 (Şekil 2) alanına büyük ölçüde orantılıdır. Hücre indeksi değerleri bakımından bir başka artış da sıkı hücre-hücre temas tha oluşması ile elde edilirt, bu çalışmada açıklanan deneyler içinde geçerli değil 11 koşullarını paraselüler akım akar kısıtlamak. Hızlandırılmış diferansiyel girişim kontrast resim analizi ile, zaman içinde hücre çıkıntı yapan alanının ölçümü (DIC), filmler hücre alt-tabaka temas alanında değişiklik tamamlayıcı ölçümünü sağlar ve kesin yapısı ve dinamikleri ile ilgili ek bilgiler sağlar Hücre-substrat empedans yaklaşımı ile ölçülebilir morfolojik değişimler.
Özellikle, (örneğin, fibronektin): (i) yapıştırıcı, alt endotelial matris proteinlerinin oksidasyon MPO aracılı nasıl kullanıldığını izlemek arıtıldı fibronektin ve (ii) tetikler hücre-matris de üzerine süspansiyon endotel hücreleri de novo yapışmasını azaltır, bu yaklaşımların bir uygulama tarif fibronektin kurulan yapışması ile endotel hücreleri -yapışma. Paralel hücre sinyal gerçekleştiren ilgili Biochem kullanarak zamanla analizleri ilenik deneyler (örneğin, Western blot), yapışma bağımlı hücre sinyal olayları adezyon / de-yapışma süreçleri ve ilgili değişiklikleri arasındaki zamansal ve nedensel ilişki belirlenebilir.
Bu yaklaşımlar en son MPO subendotelyal yatakları ile katalize hücre dışı matris oksidasyon önceden var olan aktomizin kasılma güçleri 9 tarafından tahrik edilen endotel hücrelerinin hücre-matris yapışma hızlı kayıp tetikler olduğunu göstermek için kullanılmıştır. Önemlisi, hem hücre yapışması değişiklikler ve tespit edilecek sinyal yapışma bağımlı hücre arasındaki zamansal ilişki sağlayarak, bu yaklaşımlar MPO kaynaklı matris modifikasyonu ve hücresel de-yapışma Src kinaz gibi önemli yapışma-bağımlı hücre sinyal yolları değişiklikleri tetikler olduğu tespit bağımlı paxillin fosforilasyon ve miyosin hafif zincir II fosforilleme (Şekil 1) 9. Redoks-bağımlı sinyal, inv Bu modhücre-matris yapışmasını bozan hücre dışı oksidatif reaksiyonları ile hücre içi sinyal olaylarının aktivasyonu SORUN hücrenin yeni bir şekli "dışarıdan içeriye redoks sinyal" (Şekil 1) olarak adlandırılan sinyalizasyon temsil 9.
Genel olarak, bu tamamlayıcı hücre alt-tabaka empedans biyosensör ve canlı hücre görüntüleme teknikleri matris düzenleyici uyarı ya da maddeler, hücre yapışması dinamiği, morfoloji değişiklikleri sürücü kadar farklı ifşa ve çeşitli tabi olan farklı yapışık hücre türleri içinde sinyalizasyon değerli olmalıdır Deneysel ayarları.
Aşağıdaki protokol de novo endotel hücre yapışması (Deney 1) ve endotel hücre de-yapışma (Deney 2) süreçleri üzerinde MPO-aracılı matris oksidasyon etkisini ölçmek açıklamaktadır. MPO fibronektin ve diğer yapıştırıcı subendotelyal hücre dışı matriks proteinleri ve bize heyecanla bağlanıres (H2O 2) klorid iyonu (Cı -) dönüştürmek için hidrojen peroksit, bu matris proteinleri ile lokal olarak reaksiyona girer ve hücre yapışma özelliklerini (Şekil 1) 8,9 bozan yüksek reaktif bir klorlama oksitleyici hipokloröz asit (HOCI) 'e, 12.
1. General Endothelial Cell Culture
2. Experiment 1: Quantifying De Novo Endothelial Cell Adhesion on Native and MPO-oxidized Fibronectin (Cell-substrate Impedance)
NOTE: Experiment 1 examines the degree to which MPO-mediated oxidation of fibronectin impairs its ability to support de novo adhesion of suspended endothelial cells.
3. Experiment 2: Quantifying Endothelial Cell De-adhesion from Fibronectin in Response to MPO-mediated Fibronectin Oxidation (Cell-substrate Impedance and Live Cell Imaging)
4. Data Analysis and Presentation
Real-time quantification of endothelial cell de-adhesion from fibronectin in response to MPO-mediated fibronectin oxidation (Experiment 2). The seeding of endothelial cell suspensions onto native (MPO free) fibronectin or MPO-bearing fibronectin results in maximal cell attachment and spreading within 2 hr, as judged by a plateauing of cell index values in the cell substrate impedance measurements (Figure 3A). This initial phase of cell attachment and spreading is markedly reduced when MPO-mediated fibronectin oxidation is initiated prior to cell seeding in experiments performed according to the protocol detailed in Experiment 1 (data not shown; For details see9). Once maximal cell adhesion is established on native or MPO-bearing fibronectin, targeted fibronectin oxidation mediated by MPO-catalyzed HOCl (initiated by the addition of MPO’s co-substrate H2O2) causes a rapid decrease in the surface area of cell-matrix contact measured by cell-substrate impedance (Figure 3A,B) and by live cell imaging (Figure 3C; for a representative DIC movie, see Movie 1; cell index or cell area losses after H2O2 addition are minimal in the absence of MPO9). Whilst cell index and cell area changes during MPO-induced de-adhesion were very similar, the comparatively slower decreases in cell index values may reflect the insulating effects of cell membrane materials present in ‘cell-free’ regions at the cell periphery during de-adhesion, which are not quantified in the projected cell area measurements. The rapid cellular de-adhesion apparent in endothelial cells bound to MPO-bearing fibronectin in response to H2O2 treatment is absent in cells treated with H2O2 alone (i.e., cells that do not contain MPO) (Figure 3A) and is blocked by MPO enzyme inhibitors or HOCl scavengers (data not shown; see9 for details), identifying that this process is dependent on the MPO-catalyzed production of HOCl (cf. Figure 1). Inhibition of myosin II motor function with blebbistatin inhibits the rate of endothelial cell de-adhesion measured by cell-substrate impedance (Figure 3B) and by live cell imaging (Figure 3C, Movie 2), identifying that cellular de-adhesion and contraction in response to MPO-catalyzed subcellular matrix oxidation is driven by actomyosin tensile forces9.
Figure 1. MPO-mediated subcellular matrix oxidation triggers cell-matrix de-adhesion and cell signaling. MPO triggers rapid de-adhesion responses and changes in adhesion-dependent signaling by mediating targeted oxidation of adhesive subendothelial matrix proteins, involving the following events9: (A) MPO binds avidly to the subendothelial matrix and uses H2O2 to generate the highly reactive oxidant HOCl that reacts locally with matrix proteins (e.g., fibronectin) and disrupts their cell adhesive properties. (B) This damage disrupts adhesive contacts at the cell-matrix interface, leading to (C) membrane retraction driven by unopposed tension in the actin cytoskeleton and the alteration of adhesion-dependent cell signaling pathways (Reproduced with permission from Rees et al.9). Please click here to view a larger version of this figure.
Figure 2. Work-flow and principle of cell-substrate impedance analyses to quantify endothelial cell de-adhesion from fibronectin in response to MPO-mediated fibronectin oxidation (Experiment 2). Cell index values measured by the cell-substrate microarray impedance biosensor system reflect the ability of the cell membrane to limit field-induced ion currents at the electrode surface and are proportional to the area of cell–substrate contact10. Please click here to view a larger version of this figure.
Figure 3. Real-time quantification of endothelial cell de-adhesion from fibronectin in response to MPO-mediated fibronectin oxidation (Experiment 2). Endothelial cell suspensions (in serum-free Medium 199 containing 1% BSA) were seeded onto native or MPO-bearing fibronectin (fibronectin coated at 5 g/ml, then incubated in the absence or presence of 20 nM MPO) in 96 well microelectrode arrays (cell-substrate impedance measurements) or 35 mm glass-bottom cell culture dishes (live cell imaging analyses). Cells were then incubated at 37°C for 2 hr to allow maximal cell attachment and spreading before equilibrating cells with HBSS and initiating MPO-mediated fibronectin oxidation by adding H2O2 (10 μM) (time of H2O2 addition set at t = 0 min). (A) Full time-course of cell-substrate impedance measurements before and after treatment with H2O2 in the presence (+MPO) and absence (-MPO) of MPO. (B) Cell-substrate impedance measurements and (C) cell area measurements by live cell imaging analyses, after treatment of MPO-containing cells with H2O2 in the presence (+ blebbistatin) and absence (-blebbistatin) of the myosin II inhibitor blebbistatin (40 μM). Cell index and cell area values are normalized to values immediately prior to the time of H2O2 addition, which were given a value of 1. Cell index data represent the mean SEM, n = 6 replicate measurements from a representative experiment. Cell area values represent the mean SEM, n = 10 cells (2 replicate movies, 5 randomly selected cells per movie: see Movies 1 and 2). (Figure 3B, Figure 3C, Movie 1 and Movie 2 are reproduced with permission from Rees et al.9). Please click here to view a larger version of this figure.
Movie 1. Time lapse DIC microscopy movie of endothelial cells adhered on MPO-bearing fibronectin over 0 – 15 min following exposure to H2O2 (10 μM); 1 sec = 3 min.
Movie 2. Time lapse DIC microscopy movie of endothelial cells adhered on MPO-bearing fibronectin over 0 – 15 min following exposure to H2O2 (10 μM) in the presence of blebbistatin (40 μM); 1 sec = 3 min.
Cell-matrix adhesion and de-adhesion processes can be quantified accurately in real time with high temporal resolution using cell-substrate impedance and live cell imaging analyses. These real-time approaches provide a major advantage over end-point analyses of cell adhesion, which provide poor temporal resolution. By accurately quantifying rapid de-adhesion responses with high temporal resolution, these analyses can provide critical insights into how morphological responses to matrix modifications are regulated and how they impact on adhesion-dependent cell signaling processes, measured in parallel using relevant biochemical assays (e.g., Western blotting).
In recent studies, these approaches were used to reveal a novel role for MPO-mediated oxidation of the subendothelial matrix in triggering the de-adhesion of endothelial cells and showed: (i) that the rate of de-adhesion was critically dependent on pre-existing actomyosin contractility (cf. Figures 3B and 3C) and (ii) that the loss of cell-matrix adhesion drove changes in important adhesion-dependent cell signaling pathways including Src-dependent paxillin phosphorylation and myosin light chain II phosphorylation9 (see Figure 1). These data have important implications for understanding endothelial function and barrier integrity during inflammatory responses, where the subendothelial extracellular matrix is implicated as a key target for oxidants produced by subendothelial deposits of matrix-bound MPO or other sources of reactive oxidants 3,5-9,14.
The use of a microarray-based, cell-substrate impedance biosensor system provides a platform for robust, high-throughput cell adhesion measurements. Each well of the 96 well cell-substrate impedance microelectrode arrays has the potential to simultaneously analyze 32 different experimental conditions (i.e., 3 wells per condition). However, when comparing small changes in cell adhesion, at least 4 or more wells should be used per experimental condition. During cell seeding and subsequent cell treatments, care should be taken to keep all solutions at 37 °C and minimize the time taken to treat cells outside the 37 °C incubator environment (this avoids potential temperature differences across the microelectrode array that may affect adhesion responses). Notably, the electrical current at the cell-substrate interface is sensitive to the ionic strength of the cell supernatant10: consequently, cells should be allowed to equilibrate after the addition of new buffers/media to obtain a steady cell index response before monitoring the effect of the stimulus of interest (see 3.10 and Figure 3A). Decreases in cell index may not only reflect a decrease in the average area of cell-matrix contact but may also reflect a decrease in the number of attached cells. To discriminate between these possibilities, changes in the number of attached cells on microelectrode arrays can be quantified immediately after cell-substrate impedance measurements by Crystal violet staining this approach has been used to confirm that MPO-mediated fibronectin oxidation triggers a rapid decrease in the average area of cell-matrix contact, but does not promote cell detachment (for details, see9).
A limitation of the cell-substrate impedance technique is that it provides an average measure of adhesion changes over all cells present on the microelectrode surface and it does not give information about the precise nature of adhesion or morphological changes at the level of individual cells. To address this limitation, live cell DIC microscopy and image analysis provides a complementary measure of adhesion changes and reveals morphological changes of individual cells. Thus, decreases in cell index in response to MPO-mediated fibronectin oxidation measured by cell-substrate impedance (Figure 3A) correlate well with the decreases in the projected area of cells measured by live cell image analysis of DIC movies (Figure 3B). Importantly, DIC movies reveal that, in individual cells, MPO-induced de-adhesion involves the rapid retraction of the peripheral cell membrane from the substratum and adjacent cells and ultimately results in cells assuming a compact ‘rounded-up’ morphology, but without resulting in cell detachment (Movie 1). As with cell-substrate impedance measurements, to ensure reproducible cellular responses, care should be taken to maintain solutions at 37 °C prior to use on cells and a heated microscope stage (or equivalent temperature control device) must be employed during the live cell imaging recordings.
The protocols described here can be modified readily by substituting fibronectin with other purified matrix substrates (e.g., collagen or laminin) or studying a more complex matrix environment produced overtime by cultured adherent cells (for details, see9). The protocols can also be altered by substituting MPO-mediated matrix oxidation with other soluble stimuli that disrupt cell-matrix adhesion including other physiological matrix-modifying oxidants (e.g., peroxynitrite, nitrogen dioxide radical5-8), matrix-degrading proteases15 or antagonists of adhesive ligands present on the cell surface or in the matrix (e.g., anti-integrin antibodies or RGD peptides). Live cell imaging analyses can also be used to quantify cell-matrix de-adhesion in response to the electrochemical desorption of cell-matrix contacts16. Finally, the described protocols are also readily applicable to studying cellular adhesion dynamics in adherent cells other than endothelial cells (e.g., epithelial cells).
The authors have no disclosures to make.
This work was funded by a National Health and Medical Research Council (NHMRC) Project Grant 568721 (SRT) and, in part, by a UNSW Faculty of Medicine Faculty Research Grant (MDR).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
96 well gold cell-substrate impedance microelectrode array | ACEA Biosciences / Roche | E-Plate 96 | single-use plate used for performing cell-based assays on the xCELLigence system |
blebbistatin | Sigma | B0560 | selective inhibitor of non-muscle myosin-II |
Bovine Aortic Endothelial Cells, cryopreserved | Lonza | BW-6001 | |
Bovine serum albumin | Sigma | 05470 | |
EGM-2 BulletKit | Lonza | CC-3162 | endothelial cell growth media kit |
Fibronectin, lyophilized powder | Sigma | F-4759 | from bovine plasma |
Fluorodish 35 mm glass-bottomed cell culture dish | World Precision Instruments | FD35-100 | Cell cuture dish with optical quality glass bottom for imaging |
Gelatin from bovine skin | Sigma | G9391 | cell culture substratum |
Hank's Balanced Salt Solution | Life Technologies | 14025076 | |
Hydrogen peroxide | Merck | 107298 | |
Medium-199 | Life Technologies | 11150-059 | serum-free cell media |
Methionine | Sigma | M9500 | quenches chlorinating oxidants generated by myeloperoxidase |
Myeloperoxidase, Human Polymorphonuclear Leukocytes | Millipore | 475911 | |
RTCA MP Instrument / xCELLigence cell substrate impedance system | ACEA Biosciences / Roche | Consists of RTCA Analyzer, RTCA (Multiple Plate) MP Station and RTCA Control Unit | |
Trypsin-EDTA (0.5%) | Gibco | 15400-054 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır