Observación de los Niveles de Alineación y de Organización en Estructuras del Colágeno Usando Microscopia Atómica de la Fuerza por los Instrumentos de JPK

Temas Revestidos

Estructura y Función del Colágeno
Tejido Naturalmente Formado del Colágeno
Fibrillas Depositadas del Colágeno - Substratos para los Estudios de la Célula de Hueso
Estructuras del Colágeno dentro del Hueso Natural
Película Depositada del Colágeno para los Implantes
Capas Alineadas del Colágeno e Incremento Dirigido de la Célula
Conclusiones

Estructura y Función del Colágeno

El Colágeno es la proteína más abundante del cuerpo humano, explicando el alrededor 30% de la cantidad total de proteína. El Colágeno es un soporte estructural para la mayoría de los tejidos en el cuerpo como la matriz extracelular, y es determinado abundante en tejido conectivo. La Piel, por ejemplo, es colágeno del alrededor 75%, y el colágeno por lo tanto tiene un papel vital en muchos procesos tales como cura de la herida. La producción o la mineralización del Colágeno es la base para la formación de cartílago, tendones o huesos. Las Células en el resto de tejidos del cuerpo también son rodeadas por estructuras más finas del colágeno a través de la matriz extracelular, así que el colágeno tiene un papel vital también en la proliferación, la migración y la diferenciación de célula.

El Colágeno es una familia de alrededor 20 proteínas relacionadas, que forman hélices triples a través de tres encadenamientos del polipéptido que arrollan alrededor de uno a en a cuerda-como la estructura. Éstos triple-trenzaron protofibrils nanómetro-clasificados pueden vincular para formar diversos tipos de estructuras de alto nivel. Las fibras resistentes del colágeno formadas por el colágeno del Tipo 1 dan los tendones o los ligamentos su fuerza de alta resistencia, pero otros tipos de colágeno forman estructuras más pequeñas, o más ramificadas en la matriz extracelular. El Colágeno está implicado en la estructura o la función de muchos tejidos, tan allí es muchas enfermedades asociadas al funcionamiento incorrecto del colágeno. Un defecto genético llamó el síndrome de Alport que afectaba al Tipo colágeno de IV, por ejemplo, funcionamiento incorrecto de las causas de los glomérulos en los riñones, así como los problemas del aro y del oído, y lleva generalmente a la insuficiencia renal.

La estructura de las fibrillas del colágeno del Tipo 1 se bosqueja esquemáticamente en el Cuadro 1. Tres encadenamientos del polipéptido arrollan juntos para formar una estructura helicoidal derecha. Estas moléculas del colágeno entonces alinean a lo largo del eje y del grupo de la hélice como manojo para formar las fibrillas del colágeno. Estas fibrillas del colágeno pueden también alinear lateralmente para formar manojos en un más de categoría alta de la estructura y para componer las fibras micrón-clasificadas resistentes del colágeno encontradas en ligamentos. Una característica de las fibrillas del colágeno es su estructura congregada. El diámetro de la fibrilla cambia ligeramente a lo largo de la longitud, con una repetición altamente reproductiva de la D-Banda de aproximadamente 67nm.

Cuadro 1. diagrama Esquemático del Tipo estructura de la fibrilla del colágeno de I. Las moléculas Helicoidales del colágeno forman a partir de tres encadenamientos del polipéptido, y éstas se asocian lateralmente para formar las fibrillas del colágeno con una estructura congregada característica.

Independientemente de su función natural en el cuerpo, el colágeno también se ha utilizado en técnico y las aplicaciones médicas como superficie fisiológica modelo para el cultivo celular, implantan biocompatibility e incremento dirigido de la célula.

Tejido Naturalmente Formado del Colágeno

Las estructuras congregadas obra clásica de la fibrilla se pueden considerar sin obstrucción en el colágeno de la cola de rata, que demuestra el alto nivel de estructura y la regularidad posible en fibras del colágeno. Cuadro 2 altura de las demostraciones e imágenes verticales de la desviación de las fibras del colágeno de la cola de rata, para un área de la exploración de 2 x 2 micrones. En esta imagen, muchas de las fibras son mentira paralela, aunque algunos se crucen encima en la esquina más inferior de la mano izquierda. La imagen seccionada transversalmente abajo muestra una sección a lo largo del eje central de la fibra. Las etiquetas de plástico rojas son 1345 nanómetro aparte, que corresponde a 20 repeticiones de la D-Banda. Esto da un valor para esta muestra de 67,3 nanómetro para el período de la repetición. Los Cambios en el período de la repetición debido a las diversas mutaciones pueden ser importantes medir exactamente.

Cuadro 2. Altura e imágenes verticales de la desviación de un área de la exploración de 2 x 2 micrones en una muestra del colágeno de la cola de rata. El corte transversal muestra 20 repeticiones de la D-Banda marcada con las líneas rojas, el donante y el período medio de 67,3 nanómetro.

El Cuadro 3 muestra (600 x 600 nanómetro) exploraciones más pequeñas de la misma muestra, otra vez altura y señales verticales del área de la desviación, de mostrar la estructura más de categoría alta que es visible. La tercera imagen es parte de la exploración de la altura después de que haya sido paso alta filtrada para quitar la curvatura de los antecedentes de la fibra. Esto muestra las características más pequeñas más sin obstrucción, y la imagen seccionada transversalmente muestra la separación de las pequeñas estructuras en la superficie. La escala de la altura para la sección representativa no es absoluta, puesto que se ha quitado la curvatura de la fibra de los antecedentes. La talla lateral de las características es alrededor 7 nanómetro. Las características del Ejemplo se marcan con las líneas rojas con una separación de 6,7 nanómetro.

Cuadro 3. Altura e imágenes verticales de la desviación de 600 x 600 áreas del nanómetro de una fibrilla del colágeno de la rata. Además de la banda transversal, hay también estructura visible a través de la fibra, tal y como se muestra en de la sección representativa en la Partición más inferior.

Fibrillas Depositadas del Colágeno - Substratos para los Estudios de la Célula de Hueso

Las fibrillas Aisladas del colágeno de una muestra bovina del tendón (depositada en la baja densidad sobre el cristal APTES-revestido) se muestran en el Cuadro 4. Las imágenes son cortesía de Profesor M. Horton, Hueso y Centro Mineral de la Universidad Londres y el Centro de Londres para la Nanotecnología. La imagen óptica (parte superior) muestra que el AFM voladizo y las fibrillas más grandes del colágeno son también visibles usando contraste óptico de la fase. Las dos imágenes grandes del AFM muestran altura y las señales verticales de la desviación para un área de la exploración de 100 x 100 micrones. La mayor parte de las fibrillas forman liso curvar las estructuras. (5 x 5 micrones) una exploración más pequeña también se muestra como imagen de la altura 3D, donde la periodicidad de la fibrilla puede ser considerada.

El Cuadro 4. fibrillas Bovinas del colágeno del tendón en el APTES-cristal, la cortesía de imágenes de Profesor M. Horton, el Hueso y el Centro Mineral UCL y Londres Se Centran para la Nanotecnología. Imágenes Ópticas del AFM de la altura y de la desviación del área de la exploración del contraste de la fase (parte superior), imagen de la altura 100 x 100 de los micrones (centro), y 5 x 5 del micrón 3D (parte inferior).

Estructuras del Colágeno dentro del Hueso Natural

A Pesar De al parecer la estabilidad del hueso, de hecho el hueso en el esqueleto de un ser humano vivo se está remodelando constante. Osteoblasts y los osteoclasts son las células que son responsables de la formación y de la resorción del hueso, y junto mantienen un equilibrio dinámico en el esqueleto de adultos sanos. El Colágeno tiene un papel vital en estos procesos, puesto que forma el marco estructural de la proteína del hueso, y también tiene un papel en la transmisión de señales entre los osteoblasts y los osteoclasts.

El Cuadro 5 muestra imágenes del AFM de una rebanada de hueso cortical donde la estructura del colágeno del hueso ha sido revelada por los osteoclasts que quitaban el colágeno y los minerales. Las fibras Lateralmente asociadas del colágeno con la D-Banda sin obstrucción se ven en las imágenes de la topografía y del desvío. Una laguna del osteocyte se considera dentro del hueso (anillado). La cortesía de Imágenes de Bozec y de Horton, UCL y Londres Se Centran para la Nanotecnología. Las imágenes superiores del AFM muestran un área de 4 x 4 micrones con un z-rango de 521 nanómetro para la imagen de la altura y un zrange de 300 milivoltio para la imagen de la desviación. La imagen más inferior muestra un zoom tridimensional de la proyección de la altura en la laguna del osteocyte, el hueco de la resorción formado por el retiro del colágeno y los minerales. Usando el AFM, la ordenación, la periodicidad y el diámetro de la fibrilla se pueden medir estadístico, dando la posibilidad a las diferencias sutiles del estudio entre los tejidos sanos o enfermos.

Cuadro 5. estructura del colágeno del Hueso reveladora por los osteoclasts que quitan el colágeno y los minerales de una rebanada de hueso cortical. La cortesía de Imágenes de Bozec y de Horton, UCL y Londres Se Centran para la tecnología de NaN. área de la exploración de 4 x 4 micrones para ambas imágenes grandes del AFM (521 alturas del z-rango del nanómetro, imagen de la desviación del z-rango 300mV). zoom tridimensional de la proyección de la altura en la laguna del osteocyte.

Película Depositada del Colágeno para los Implantes

Los Diversos métodos se han desarrollado para depositar el colágeno sobre los materiales para formar superficies biocompatibles, o para el incremento dirigido de la célula. El colágeno se puede adsorber relativamente directo a las superficies tales como cristal, pero es más difícil asociar el colágeno estable a los materiales sintetizados tales como silicón. Estas clases de estructuras compuestas se pueden utilizar para ascender la herida que cura y para mejorar el biocompatibility de los materiales para los implantes, determinado injertos vasculares. El colágeno reticulado se puede tratar con las moléculas tales como heparina para reducir la activación de la trombosis, o factor de incremento del fibroblasto para ascender el sembrador endotelial de la célula.

Las imágenes en el Cuadro 6 muestran una reseña de 10 x 10 micrones de una muestra de la película colágeno-revestida del silicón (cortesía de la muestra de M.J.B. Wissink, Universidad de Twente, De los Países Bajos). La muestra era reflejada bajo solución salina protegida (PBS) fosfato (las imágenes de la altura y de la amplitud para el modo de contacto intermitente en líquido). Las fibrillas más grandes del colágeno pueden ser mentira vista en una matriz más lisa. El colágeno es muy suave en líquido, puesto que contiene una parte elevada de agua.

Cuadro 6. imagen Intermitente del modo de contacto en líquido (10 x 10 micrones) de una película colágeno-revestida del silicón. Muestree la cortesía de M.J.B. Wissink, Universidad de Twente, Los Países Bajos.

En imágenes más pequeñas, los detalles de la estructura de la D-Banda pueden ser considerados. Las imágenes de la Altura, de la amplitud y de la fase de la misma muestra se muestran en el Cuadro 7 para un área más pequeña de la exploración (2 x 2 micrones). La D-Banda se puede ver en las tres imágenes para las fibras del colágeno, que están mintiendo diagonalmente a través de la imagen en la matriz de los antecedentes. Aunque la capa entera del colágeno sea muy suave, la banda de 67 nanómetro se puede ver sin obstrucción.

Cuadro 7. exploración intermitente del modo de contacto de 2 x 2 micrones del silicón collagencoated en el almacenador intermediaro (cortesía de la muestra de M.J.B. Wissink, Universidad de Twente, De los Países Bajos).

Capas Alineadas del Colágeno e Incremento Dirigido de la Célula

Las moléculas del Colágeno se pueden ensamblar y adsorber sobre soportes de la mica para recubrir la superficie uniformemente en (el ~ 3 nanómetro) una capa plana fina. Alrededor cinco moléculas individuales del colágeno asocian microfibrils del formulario, a una talla lateral de alrededor 3-5 nanómetro. Una capa monomolecular de estos microfibrils se puede entonces adsorber a la superficie para formar una superficie nanostructured, biológicamente activa. Estos microfibrils son también probables ser un escenario intermedio en la formación de las fibras más grandes del colágeno consideradas en tejido natural.

El primer nivel de organización es alinear las fibrillas del colágeno de modo que haya una orientación total en la capa superficial, que se puede lograr con adsorber bajo condiciones del flujo hidrodinámico. Dentro de cierto tiempo después de la deposición, la orientación se puede también manipular usando la punta del AFM. El Cuadro 8 muestra una imagen intermitente de la altura del modo de contacto de 750 de x 750 nanómetro del colágeno desmontado en el almacenador intermediaro (z-rango 5,5 nanómetro). La muestra es cortesía de A. Taubenberger, grupo de las Máquinas de D.J. Müller Cellular, Universidad Técnica Dresden. Las fibras todas se orientan en la misma dirección, y la D-Repetición de 67 nanómetro se puede considerar en las fibras individuales. En este caso no hay alineación en grande de la D-Repetición entre las fibrillas adyacentes.

Cuadro 8. imagen Intermitente del modo de contacto del colágeno desmontado en el almacenador intermediaro (750 x 750 nanómetro, z-rango 5,5 nanómetro). Muestree la cortesía de A. Taubenberger, Máquinas grupo, TU Dresden de D.J. Müller Cellular.

Otro nivel de organización se puede lograr si la banda de Drepeat de los microfibrils del colágeno también se alinea, como en tejido natural. La alineación o la no-alineación de las D-Repeticiones es sensible a la composición iónica del almacenador intermediaro de la deposición, y la alineación se considera en las soluciones que imitan los ambientes citoplásmicos o extracelulares de células eucarióticas. En la altura y las imágenes verticales de la desviación mostradas en el Cuadro 9, se han depositado las moléculas de modo que haya una alineación total de las bandas de Drepeat de las fibrillas adyacentes del colágeno. Las imágenes en el Cuadro 10 son cortesía de A. Taubenberger, Máquinas grupo, TU Dresden de D.J. Müller Cellular. En esta muestra, el colágeno no reviste totalmente la superficie y las separaciones pueden ser consideradas donde está visible la superficie de cristal debajo.

Cuadro 9. fibrillas desmontadas Alineadas del colágeno en líquido. La cortesía de Imágenes de A. Taubenberger, D.J. Müller Cellular Labra A Máquina al grupo, TU Dresden.

Estas superficies tienen algunas de las propiedades nanostructural de las fibras naturales del colágeno, colocadas como capa fina. La alineación de las D-Repeticiones también produce una superficie bioactiva. Las células del Fibroblasto cultivadas en el colágeno donde se orientan las fibrillas, pero no alineadas, no muestran ninguna orientación determinada de su dirección de la dimensión de una variable o del incremento. Cuando el Drepeats también se alinea, sin embargo, los fibroblastos muestran movilidad altamente orientada a lo largo de la dirección del eje, y tienen una dimensión de una variable alargada en esta dirección. La textura de la superficie causada por la orientación en grande de las fibrillas solamente no era suficiente controlar movilidad de la célula, y ésta sugiere una función biológica para la alineación de la D-Banda en incremento de la célula que conduce.

Conclusiones

El AFM es una herramienta potente para observar los niveles de alineación y de organización en estructuras del colágeno. Las estructuras Naturales del colágeno, las fibrillas aisladas y los biomateriales de la novela se pueden todos estudiar bajo condiciones fisiológicas. Estas mediciones pueden iluminar preguntas biológicas fundamentales, así como prueban nuevos compuestos biocompatibles o específicamente bioactivos.

Fuente: Instrumentos de JPK

Para más información sobre esta fuente visite por favor los Instrumentos de JPK

Date Added: Jan 15, 2009 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 21:26

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