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Nat Protoc:华中科大汪宁教授研究组开发超高分辨细胞力学成像系统

摘要 : 2017年6月22日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Protocols》在线发表了华中科技大学生命学院汪宁教授课题组关于三维细胞磁力扭曲仪和受激发射损耗(STED)纳米显微镜交互的超高分辨三维细胞磁力扭曲系统开发方案的文章

 2017年6月22日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Protocols》在线发表了华中科技大学生命学院汪宁教授课题组关于三维细胞磁力扭曲仪和受激发射损耗(STED)纳米显微镜交互的超高分辨三维细胞磁力扭曲系统开发方案的文章。研究方案不仅可以建立超高分辨的三维细胞磁力扭曲系统,还可以向下兼容普通的共聚焦显微镜和宽场显微镜,具有广阔的应用前景。生命学院博士研究生张跃进和韦富香为该文章共同第一作者,汪宁为文章通讯作者。

越来越多的证据表明,力学信号与化学小分子、蛋白质信号转导一样对细胞的功能、命运起着决定性的作用。与化学信号相比,力学信号具有发生速度快、作用时间短、作用效果易变等特点。如何实时定量的测量分析力学信号对细胞结构和功能的影响一直是细胞生物力学领域的难点问题。开发能够实时定量测量力学信号作用效果的仪器设备,是解决限制力学信号研究瓶颈的关键因素。

汪宁1993年开发了细胞磁力扭曲仪,利用非破坏性的磁场来驱动黏附在细胞表面的磁球,给细胞施加作用力,并利用显微镜记录细胞结构在力学作用下的反应。利用细胞磁力扭曲仪,汪宁发现细胞黏附蛋白——整合素是细胞力学感受器。这项开创性的工作1993年发表于《科学》(Science)杂志,目前已被引用2740多次。2004年,汪宁发明了三维细胞磁力扭曲仪,实现了在三维空间的任意方向上给细胞施加作用力。

细胞生物力学的一项重要任务就是研究细胞精细微观结构在力学信号作用下的反应。三维细胞磁力扭曲仪是目前唯一能够在三维空间内的任意方向上给细胞施加作用力的设备,其位移分辨率可达~4 nm。但受到常规光学显微镜分辨极限定律的限制,其x-y方向的空间结构分辨率只能达到~250纳米,这限制了三维细胞磁力扭曲仪在亚细胞精细结构研究中的运用。

2010年,汪宁回国在我校建立细胞生物力学与再生医学实验室后,引进了受激发射损耗(STED)纳米显微镜(2014年诺贝尔化学奖得主Stefan Hell的发明),意在建立具有超高结构分辨的三维细胞磁力扭曲系统。细胞生物力学实验室的博士研究生张跃进和韦富香在汪宁教授的指导下承担了这项工作。经过多年的努力,他们运用专门的接口板构建了三维细胞磁力扭曲仪与STED纳米显微镜交互的硬件平台,自主编写了驱动程序和应用软件,成功的构建了三维细胞磁力扭曲仪和STED纳米显微镜交互的具有超高分辨率的三维细胞磁力扭曲系统,并将其用于细胞生物力学研究,发现力学信号可以直接拉伸染色质并诱导基因表达,这部分工作于2016年8月发表于《自然·材料》(Nature Materials)。该工作发表后引起了巨大的关注,《科学》杂志编辑Guy Riddihough在在《编辑选择》(Editors' Choice)栏目重点推荐了这篇文章;F1000Prime评委、康奈尔大学Jan Lammerding教授认为“这篇文章具有非常重要的意义,因为它提供了非常有力的证据,证明力学刺激可以直接通过细胞骨架和核膜传递到细胞核内并直接激活基因的表达”,并推荐它为2016年度F1000Prime文章;《自然·材料》杂志邀请美国康奈尔大学Jan Lammerding教授在同期杂志上评论该文章;细胞(Cell)杂志2017年5月发表的一篇综述正面引用了该论文的观点;此外,The Scientist Magazine,Phys.org,Technology.org,Eurekalert!,Bioportfolio,GEN,Health Medicine等知名杂志或网站也对该文章进行了点评或报道。

本次在《Nature Protocols》发表的文章详细介绍了超高分辨三维细胞磁力扭曲系统的开发过程和实验指南。运用该系统,在给活细胞加力的情况下,对细胞内部精细结构成像的分辨率可以达到118纳米。

原文链接:

Interfacing 3D magnetic twisting cytometry with confocal fluorescence microscopy to image force responses in living cells

原文摘要:

Cells and tissues can undergo a variety of biological and structural changes in response to mechanical forces. only a few existing techniques are available for quantification of structural changes at high resolution in response to forces applied along different directions. 3D-magnetic twisting cytometry (3D-MTC) is a technique for applying local mechanical stresses to living cells. Here we describe a protocol for interfacing 3D-MTC with confocal fluorescence microscopy. In 3D-MTC, ferromagnetic beads are bound to the cell surface via surface receptors, followed by their magnetization in any desired direction. A magnetic twisting field in a different direction is then applied to generate rotational shear stresses in any desired direction. This protocol describes how to combine magnetic-field-induced mechanical stimulation with confocal fluorescence microscopy and provides an optional extension for super-resolution imaging using stimulated emission depletion (STED) nanoscopy. This technology allows for rapid real-time acquisition of a living cell's mechanical responses to forces via specific receptors and for quantifying structural and biochemical changes in the same cell using confocal fluorescence microscopy or STED. The integrated 3D-MTC–microscopy platform takes ~20 d to construct, and the experimental procedures require ~4 d when carried out by a life sciences graduate student.

来源: Nature Protocols 浏览次数:0

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