Observer les Niveaux du Cadrage et de l'Organisme en Structures de Collagène Utilisant la Microscopie Atomique de Force par des Instruments de JPK

Sujets Couverts

Structure et Fonctionnement de Collagène
Tissu Naturellement Formé de Collagène
Fibrilles Déposées de Collagène - Substrats pour des Études de Cellules d'Os
Structures de Collagène dans l'Os Naturel
Film Déposé de Collagène pour des Implants
Couches Alignées de Collagène et Croissance des Cellules Dirigée
Conclusions

Structure et Fonctionnement de Collagène

Le Collagène est la protéine la plus abondante au corps humain, représentant environ 30% du montant total de protéine. Le Collagène est un soutien structurel de la plupart des tissus dans le fuselage comme matrice extracellulaire, et est particulièrement abondant en tissu conjonctif. La Peau, par exemple, est collagène environ de 75%, et le collagène a pour cette raison un rôle indispensable dans beaucoup de procédés tels que la cicatrisation. La production ou la minéralisation de Collagène sont la base pour la formation du cartilage, des tendons ou des os. Des Cellules dans tous les autres tissus du fuselage sont également entourées par des structures plus fines de collagène par la matrice extracellulaire, ainsi le collagène a un rôle indispensable également dans la prolifération cellulaire, le transfert et la différenciation.

Le Collagène est une famille d'environ 20 protéines associées, qui forment les hélix triples par trois réseaux de polypeptide s'enroulant autour de l'un l'autre dans une structure câble câble. Ces protofibrils de taille d'un nanomètre triple-échoués peuvent gripper ensemble pour former différents types de structures de plus haut niveau. Les fibres collagéniques dures constituées par le collagène de Type 1 donnent des tendons ou des ligaments leur force à haute résistance, mais d'autres types de collagène forment plus petites, ou plus branchées de structures dans la matrice extracellulaire. Le Collagène est concerné dans la structure ou le fonctionnement de beaucoup de tissus, tellement là sont beaucoup de maladies associées avec la panne de collagène. Un Syndrome d'Alport appelé d'anomalie génétique affectant le Type collagène d'IV, par exemple, pose la panne des glomérules rénaux dans les reins, ainsi que les problèmes d'oeil et d'oreille, et mène généralement à l'insuffisance rénale.

La structure des fibrilles de collagène de Type 1 est esquissée schématiquement sur le Schéma 1. Trois réseaux de polypeptide s'enroulent ensemble pour former une structure hélicoïdale raide. Ces molécules de collagène alignent alors le long de l'axe et du groupe d'hélix comme paquet pour former les fibrilles de collagène. Ces fibrilles de collagène peuvent également aligner transversal pour former des paquets sur un évolué de la structure et pour composer les fibres collagéniques de taille d'un micron dures trouvées dans les ligaments. Une caractéristique des fibrilles de collagène est leur structure réunie. Le diamètre de la fibrille change légèrement sur la longueur, avec une répétition hautement reproductible de D-Bande environ de 67nm.

Le Schéma 1. schéma de principe De la structure de fibrille de Collagène de Type I. Les molécules Hélicoïdales de collagène forment de trois réseaux de polypeptide, et ceux-ci s'associent transversal pour former des fibrilles de collagène avec une structure réunie par caractéristique.

Hormis son fonctionnement naturel dans le fuselage, le collagène a été également utilisé dans technique et les applications médicales comme surface physiologique modèle pour la culture cellulaire, implantent le biocompatibility et la croissance des cellules dirigée.

Tissu Naturellement Formé de Collagène

Les structures de fibrille réunies par classique peuvent être vues de manière dégagée en collagène d'arrière de rat, qui explique le niveau élevé de la structure et la régularité possible dans les fibres collagéniques. Le Schéma 2 hauteur d'expositions et images verticales de fléchissement des fibres collagéniques d'arrière de rat, pour une zone d'échographie de 2 x 2 microns. Dans cette image, plusieurs des fibres sont être parallèle, bien que quelques uns soient croisés plus de dans le coin inférieur de main gauche. L'image en coupe ci-dessous affiche une partie le long de l'axe central de fibre. Les repères rouges sont 1345 nanomètre à part, qui correspondent à 20 répétitions de D-Bande. Ceci donne une valeur pour cet échantillon de 67,3 nanomètre pour la période de répétition. Il peut être importants mesurer des Changements pendant la période de répétition due aux mutations variées exactement.

Le Schéma 2. Hauteur et images verticales de fléchissement d'une zone d'échographie de 2 x 2 microns sur un échantillon de collagène d'arrière de rat. La coupe transversale affiche 20 répétitions de la D-Bande par les lignes rouges, donner et la période moyenne de 67,3 nanomètre.

Le Schéma 3 affiche de plus petites (600 x 600 nanomètre) échographies de zone du même échantillon, de nouveau hauteur et signes verticaux de fléchissement, de montrer la structure évoluée qui est visible. La troisième image fait partie de l'échographie de hauteur après qu'elle ait été passe-haut filtrée pour enlever la lordose de mouvement propre de la fibre. Ceci affiche les caractéristiques techniques plus petites plus clair, et l'image en coupe affiche l'écartement des petites structures sur la surface. L'échelle de hauteur pour la section transversale n'est pas absolue, puisque la lordose de fibre de mouvement propre a été enlevée. La taille transversale des caractéristiques techniques est environ 7 nanomètre. Les caractéristiques techniques d'Exemple sont par les lignes rouges avec une séparation de 6,7 nanomètre.

Le Schéma 3. Hauteur et images verticales de fléchissement des 600 x 600 zones de nanomètre d'une fibrille de collagène de rat. Sans Compter Que la bande transverse, il y a également structure visible en travers de la fibre, suivant les indications de la section transversale dans la Cloison inférieure.

Fibrilles Déposées de Collagène - Substrats pour des Études de Cellules d'Os

Des fibrilles D'isolement de collagène d'un échantillon bovin de tendon (déposé au faible densité sur la glace APTES-enduite) sont affichées sur le Schéma 4. Les images sont accueil de Prof. M. Horton, Os et Centre Minéral de Centre D'enseignement Supérieur Londres et le Centre de Londres pour la Nanotechnologie. L'image optique (haut) affiche que l'AFM en porte-à-faux et les fibrilles plus grandes de collagène sont également visibles utilisant le contraste optique de phase. Les deux grandes images d'AFM affichent la hauteur et les signes verticaux de fléchissement pour une zone d'échographie de 100 x 100 microns. La Plupart des fibrilles forment courber régulièrement des structures. Une plus petite (5 x 5 microns) échographie est également affichée comme image de la hauteur 3D, où la périodicité de fibrille peut être vue.

Le Schéma 4. fibrilles Bovines de collagène de tendon sur l'APTES-glace, l'accueil d'images de Prof. M. Horton, l'Os et le Centre Minéral UCL et Londres Centrent pour la Nanotechnologie. Images Optiques d'AFM de hauteur et de fléchissement de zone d'échographie de microns de contraste de phase (haut), image de hauteur 100 x 100 (centre), et 5 x 5 du micron 3D (bas).

Structures de Collagène dans l'Os Naturel

En Dépit apparemment de la stabilité de l'os, en fait l'os dans le squelette d'un être humain vivant continuellement est transformé. Osteoblasts et osteoclasts sont des cellules qui sont responsables de la formation et de la résorption de l'os, et ensemble elles mettent à jour un équilibre dynamique dans le squelette des adultes sains. Le Collagène a un rôle indispensable dans ces procédés, puisqu'il forme le cadre de protéine de structure de l'os, et a également un rôle dans la signalisation entre les osteoblasts et les osteoclasts.

Le Schéma 5 affiche des images d'AFM d'une part d'os cortical où la structure de collagène d'os a été indiquée par des osteoclasts enlevant le collagène et les minerais. Transversal des fibres collagéniques associées avec la D-Bande dégagée sont vues dans les images de topographie et d'erreur. Une lacune d'osteocyte est vue dans l'os (bagué). L'accueil d'Images de Bozec et de Horton, les UCL et Londres Centrent pour la Nanotechnologie. Les images d'AFM de supérieur affichent une zone de 4 x 4 microns avec un z-domaine de 521 nanomètre pour l'image de hauteur et un zrange de 300 système mv pour l'image de fléchissement. L'image inférieure affiche un zoom à trois dimensions de projection de hauteur dans la lacune d'osteocyte, la piqûre de résorption constituée par le démontage du collagène et des minerais. Utilisant l'AFM, l'arrangement, la périodicité et le diamètre de fibrille peuvent être mesurés statistiquement, donnant la possibilité aux différences subtiles d'étude entre les tissus sains ou malades.

Le Schéma 5. structure de collagène d'Os indiquée par des osteoclasts enlevant le collagène et les minerais d'une part d'os cortical. L'accueil d'Images de Bozec et de Horton, les UCL et Londres Centrent pour la technologie de Nan. zone d'échographie de 4 x 4 microns pour les deux grandes images d'AFM (521 hauteurs de z-domaine de nanomètre, image de fléchissement de z-domaine 300mV). zoom à trois dimensions de projection de hauteur dans la lacune d'osteocyte.

Film Déposé de Collagène pour des Implants

Des méthodes Variées ont été développées pour déposer le collagène sur des matériaux pour former les surfaces biocompatibles, ou pour la croissance des cellules dirigée. Le collagène peut être adsorbé relativement tout droit sur des surfaces telles que la glace, mais il est plus difficile de fixer le collagène stablement aux matériaux synthétiques tels que le silicone. Ces genres de structures composées peuvent être employés pour introduire la cicatrisation et pour améliorer le biocompatibility des matériaux pour des implants, en particulier greffes vasculaires. Le collagène réticulé peut être préparé avec des molécules telles que l'héparine pour réduire le lancement de thrombose, ou le facteur de croissance des fibroblastes pour introduire l'injection de cellule endothéliale.

Les images sur le Schéma 6 affichent une synthèse de 10 x 10 microns d'un échantillon de film collagène-enduit de silicone (accueil de groupe de M.J.B. Wissink, Université de Twente, Des Pays-Bas). L'échantillon était imagé sous la solution saline tamponnée aux phosphates (PBS) (des images de hauteur et d'amplitude pour le mode de contact intermittent dans le liquide). Les fibrilles plus grandes de collagène peuvent être se situer vu dans une modification plus lisse. Le collagène est très mou dans le liquide, puisqu'il contient d'une forte proportion de l'eau.

Le Schéma 6. image Intermittente de mode de contact dans le liquide (10 x 10 microns) d'un film collagène-enduit de silicone. Échantillonnez l'accueil de M.J.B. Wissink, Université de Twente, Pays-Bas.

Sur de plus petites images, les détails de la structure de D-Bande peuvent être vus. Des images de Hauteur, d'amplitude et de phase du même échantillon sont affichées sur le Schéma 7 pour une plus petite zone d'échographie (2 x 2 microns). La D-Bande peut être vue dans chacune des trois images pour les fibres collagéniques, qui se trouvent diagonalement en travers de l'image dans la modification de mouvement propre. Bien Que la couche entière de collagène soit très douce, la bande de 67 nanomètre peut être vue de manière dégagée.

Le Schéma 7. échographie intermittente de mode de contact de 2 x 2 microns de silicone collagencoated dans le tampon (accueil d'échantillon de M.J.B. Wissink, Université de Twente, Des Pays-Bas).

Couches Alignées de Collagène et Croissance des Cellules Dirigée

Les molécules de Collagène peuvent être réunies et adsorbées sur des supports de mica pour vêtir la surface même dans (~ 3 nanomètre) une couche plate mince. Environ cinq différentes molécules de collagène associent des microfibrils de forme, à une taille transversale environ de 3-5 nanomètre. Une couche unitaire de ces microfibrils peut alors être adsorbée sur la surface pour former une surface nanostructured et biologiquement active. Ces microfibrils sont également susceptibles pour être un stade intermédiaire dans la formation des fibres collagéniques plus grandes vues en tissu naturel.

Le premier niveau de l'organisme est d'aligner les fibrilles de collagène de sorte qu'il y ait une orientation générale dans la couche extérieure, qui peut être réalisée par l'adsorption dans des conditions de flux hydrodynamique. Dans un certain temps après dépôt, l'orientation peut également être manipulée utilisant l'extrémité d'AFM. Le Schéma 8 affiche une image intermittente de hauteur de mode de contact de 750 x de 750 nanomètre de collagène défait dans le tampon (z-domaine 5,5 nanomètre). L'échantillon est accueil d'A. Taubenberger, groupe de Machines de D.J. Müller Cellular, Université Technique Dresde. Toutes les fibres sont installées dans le même sens, et la D-Répétition de 67 nanomètre peut être vue sur les différentes fibres. Dans ce cas il n'y a aucun cadrage de grande puissance de la D-Répétition entre les fibrilles adjacentes.

Le Schéma 8. image Intermittente de mode de contact de collagène défait dans le tampon (750 x 750 nanomètre, z-domaine 5,5 nanomètre). Échantillonnez l'accueil d'A. Taubenberger, Machines le groupe, TURQUIE Dresde de D.J. Müller Cellular.

Un autre niveau de l'organisme peut être réalisé si la bande de Drepeat des microfibrils de collagène est également alignée, comme en tissu naturel. Le cadrage ou le non-alignement des D-Répétitions est sensible à la composition ionique du tampon de dépôt, et le cadrage est vu dans l'imitation de solutions cytoplasmique ou les milieux extracellulaires des cellules eucaryotes. Dans la hauteur et les images verticales de fléchissement représentées sur le Schéma 9, les molécules ont été déposées de sorte qu'il y ait un cadrage général des bandes de Drepeat des fibrilles adjacentes de collagène. Les images sur le Schéma 10 sont accueil d'A. Taubenberger, Machines le groupe, TURQUIE Dresde de D.J. Müller Cellular. Dans cet échantillon, le collagène ne couvre pas complet la surface et des lacunes peuvent être vues où la surface en verre est visible au-dessous.

Le Schéma 9. fibrilles défaites Alignées de collagène dans le liquide. L'accueil d'Images d'A. Taubenberger, D.J. Müller Cellular Usine le groupe, TURQUIE Dresde.

Ces surfaces ont certaines des propriétés nanostructural des fibres collagéniques naturelles, établies comme couche mince. Le cadrage des D-Répétitions produit également une surface bioactive. Les cellules de Fibroblaste cultivées sur le collagène où les fibrilles sont installées, mais non alignées, n'affichent aucune orientation particulière de leur sens de forme ou d'accroissement. Quand le Drepeats sont également alignés, cependant, les fibroblastes affichent la motilité fortement installée le long du sens d'axe, et ont une forme oblongue dans ce sens. La texture de la surface provoquée par l'orientation de grande puissance seules des fibrilles n'était pas suffisante pour régler la motilité de cellules, et ceci suggère un rôle biologique pour le cadrage de D-Bande dans la croissance des cellules de guidage.

Conclusions

L'AFM est un puissant outil pour observer les niveaux du cadrage et de l'organisme en structures de collagène. Des structures Naturelles de collagène, les fibrilles d'isolement et les biomatériaux de roman peuvent tout être étudiés dans des conditions physiologiques. Ces mesures peuvent illuminer des questions biologiques principales, ainsi que testent les composés biocompatibles ou particulièrement bioactifs neufs.

Source : Instruments de JPK

Pour plus d'informations sur cette source visitez s'il vous plaît les Instruments de JPK

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

Last Update: 13. June 2013 20:56

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