JPK の器械による原子力の顕微鏡検査を使用してコラーゲンの構造のアラインメントそして構成のレベルの観察

カバーされるトピック

コラーゲン構造および機能
当然形作られたコラーゲンのティッシュ
沈殿させたコラーゲンの原繊維 - 骨細胞の調査のための基板
自然な骨内のコラーゲンの構造
インプラントのための沈殿させたコラーゲンのフィルム
一直線に並べられたコラーゲンの層および指示されたセル成長
結論

コラーゲン構造および機能

コラーゲンは蛋白質の総計のおよそ 30% を占める人体の最も豊富な蛋白質です。 コラーゲンは細胞外のマトリックスとしてボディのほとんどのティッシュのための構造サポート、結合組織で特に豊富です。 皮は、例えば、およそ 75% のコラーゲンであり、従ってコラーゲンに傷の治療のような多くのプロセスに於いての重要な役割があります。 コラーゲンの生産か鉱化は軟骨の形成のための基礎、腱または骨です。 ボディの他のすべてのティッシュのセルはまた細胞外のマトリックスを通したより良いコラーゲンの構造によって囲まれます、従ってコラーゲンに細胞増殖、移行および微分に於いての重要な役割がまたあります。

コラーゲンはロープそっくりの構造の互いのまわりで巻く 3 つのポリペプチドの鎖を通して三重の螺旋形を形作るおよそ 20 の関連蛋白質の系列です。 これらの三重残されたナノメーターサイズの protofibrils は異なったタイプの高レベルの構造を形作るために一緒に結合できます。 タイプ 1 のコラーゲンによって形作られる堅いコラーゲンのファイバーは腱か靭帯を高い引張強さ与えますが、他のタイプのコラーゲンは細胞外のマトリックスのより小さいです、かより多くのブランチされた構造を形作ります。 コラーゲンは構造にかかわりますまたは多くのティッシュの機能は、そうそこにコラーゲンの機能不全と関連付けられる多くの病気です。 遺伝的欠陥はタイプ IV のコラーゲン、例えば、腎臓、また目および耳問題の糸球体の原因の機能不全に影響を与える Alport シンドロームを呼出し、腎不全の一般に原因となります。

タイプ 1 のコラーゲンの原繊維の構造は図 1. で図式的にスケッチします。 3 つのポリペプチドの鎖は堅い螺旋形の構造を形作るために一緒に巻きます。 これらのコラーゲンの分子は束として螺旋形の軸線およびグループに沿ってそれからコラーゲンの原繊維を形作るために一直線に並びます。 これらのコラーゲンの原繊維はまた構造の高位の束を形作り、靭帯で見つけられる堅いミクロンサイズのコラーゲンのファイバーを構成するために横に一直線に並ぶことができます。 コラーゲンの原繊維の特性はバンドを付けられた構造です。 原繊維の直径はおよそ 67nm の非常に再生可能な D バンド繰り返しを用いる長さに沿って、わずかに変更します。

図 1. タイプ I のコラーゲンの原繊維の構造の図式的な図表。 螺旋形のコラーゲンの分子は 3 つのポリペプチドの鎖から形作り、特性によってバンドを付けられる構造が付いているコラーゲンの原繊維を形作るためにこれらは横に関連付けます。

ボディの自然な機能は別として、コラーゲンはまた技術で使用され、細胞培養のためのモデル生理学的な表面として医学アプリケーションは、 biocompatibility および指示されたセル成長を植え付けます。

当然形作られたコラーゲンのティッシュ

クラシックによってバンドを付けられる原繊維の構造は構造のコラーゲンのファイバーで可能な高度および秩序を示すラットテールのコラーゲンではっきり見ることができます。 図 2 ショーの高さおよび縦の 2 の x 2 ミクロンスキャン領域のためのラットテールのコラーゲンのファイバーの偏向の画像。 この画像では、ファイバーの多数は少数がより低い左手のコーナーで交差するが互いに平行なあることです。 断面画像は下の中央ファイバーの軸線に沿うセクションを示します。 赤いマーカーは 20 の D バンド繰り返しに対応する離れて 1345 nm です。 これは繰り返しのピリオドの間 67.3 nm のこのサンプルのための値を与えます。 さまざまな突然変異による繰り返しのピリオドの変更は正確に測定してが重要である場合もあります。

ラットテールのコラーゲンのサンプルの図 2. 高さおよび縦の 2 の x 2 ミクロンスキャン領域の偏向の画像。 横断面は 67.3 nm の赤線、提供および平均ピリオドとマークされる D バンディングの 20 の繰り返しを示します。

図 3 は同じサンプルのより小さい (600 x 600 nm) 領域スキャン、再度高さおよび縦の偏向のシグナルを、目に見える高位構造を示す示します。 第 3 画像はファイバーの背景の湾曲を取除くことをフィルタに掛ける高域通過だった後高さスキャンの部分です。 これはより小さい機能をもっとはっきり示し、断面画像は表面の小さい構造の間隔を示します。 横断面のための高さのスケールは背景のファイバーの湾曲が取除かれたので、絶対ではないです。 機能の側面サイズはおよそ 7 nm です。 例機能は 6.7 nm の分離を用いる赤線とマークされます。

図 3. 高さおよび縦のラットのコラーゲンの原繊維の 600 x 600 の nm 領域の偏向の画像。 横断バンディングのほかに、また下方部分の横断面に示すようにファイバーを渡って、目に見える構造があります。

沈殿させたコラーゲンの原繊維 - 骨細胞の調査のための基板

牛のような腱のサンプルからの隔離されたコラーゲンの原繊維は (APTES 上塗を施してあるガラスの低密度で沈殿する) 図 4. で示されています。 画像は教授の M. Horton 礼儀、ユニヴァーシティ・カレッジ・ロンドンの骨およびミネラル中心およびナノテクノロジーのためのロンドンの中心です。 片持梁 AFM およびより大きいコラーゲンの原繊維が光学段階の対照を使用してまた目に見えることを光学画像 (上) は示します。 2 つの大きい AFM の画像は 100 の x 100 ミクロンスキャン領域のための高さそして縦の偏向のシグナルを示します。 原繊維のほとんどはスムーズに構造を曲げることを形作ります。 より小さい (5 の x 5 ミクロン) スキャンはまた原繊維の周律が見ることができる 3D 高さの画像として示されています。

APTES ガラスの図 4. 牛のような腱のコラーゲンの原繊維、教授の M. Horton 画像礼儀、骨およびミネラル中心 UCL およびロンドンはナノテクノロジーのために集中します。 光学段階の対照 (上)、 100 の x 100 ミクロンスキャン領域の高さおよび偏向 AFM の画像 (中心)、および 5 x 5 ミクロン 3D の高さの画像 (底)。

自然な骨内のコラーゲンの構造

実際は骨の外見上安定性にもかかわらず、生きている人間の骨組の骨は絶えず改造されています。 Osteoblasts および osteoclasts は骨の形成そして再吸収に責任がある、一緒に彼らは健全な大人の骨組のダイナミックな平衡を維持しますセルであり。 骨の構造蛋白質フレームワークを形作る、ありまた osteoblasts と osteoclasts の間で信号を送ることに於いての役割がありますのでコラーゲンにこれらのプロセスに於いての重要な役割が。

図 5 は骨のコラーゲンの構造がコラーゲンおよび鉱物を取除く osteoclasts によって明らかにされた皮層の骨のスライスの AFM の画像を示します。 明確な D バンディングが付いている横に関連コラーゲンのファイバーは地形およびエラー画像で見られます。 osteocyte の脱文は骨の内で見られます (環状)。 Bozec および Horton の画像礼儀、 UCL およびロンドンはナノテクノロジーのために集中します。 上部 AFM の画像は高さの画像のための 521 nm の z 範囲および偏向の画像のための 300 mV の zrange との 4 の x 4 ミクロン領域を示します。 より低い画像は osteocyte の脱文、コラーゲンの取り外しによって形作られる再吸収ピットおよび鉱物に 3D 高さの投射のズームレンズを示します。 AFM を使用して、原繊維の整理、周律および直径は統計的に測定することができま可能性を健全なか病気にかかったティッシュ間の調査の微妙な相違に与えます。

皮層の骨のスライスからコラーゲンおよび鉱物を取除く osteoclasts によって明らかにされる図 5. 骨のコラーゲンの構造。 Bozec および Horton の画像礼儀、 UCL およびロンドンはナンの技術のために集中します。 両方の大きい AFM の画像 (521 の nm の z 範囲の高さ、 300mV z 範囲の偏向の画像) のための 4 の x 4 ミクロンスキャン領域。 osteocyte の脱文への 3D 高さの投射のズームレンズ。

インプラントのための沈殿させたコラーゲンのフィルム

さまざまな方法は biocompatible 表面を形作るために材料にまたは指示されたセル成長のためのコラーゲンを沈殿させるように開発されました。 コラーゲンはガラスのような表面に比較的まっすぐに吸着することができますがシリコーンのような合成物質にコラーゲンを固定して接続することは困難です。 これらの種類の合成の構造が直る傷を促進し、インプラント、特に管の接木のための材料の biocompatibility を改善するのに使用することができます。 架橋結合されたコラーゲンはヘパリンのような分子 endothelial セルシードを促進するために血栓症のアクティブ化を減らすためにか繊維芽細胞の成長因子と扱うことができます。

図 6 の画像はコラーゲン上塗を施してあるシリコーンのフィルム (M.J.B. Wissink の Twente、ネザーランドの大学のサンプル礼儀) のサンプルの 10 の x 10 ミクロンの概要を示します。 サンプルは隣酸塩によって緩衝された塩解決の下で視覚化されていました (PBS) (液体の断続的な接触モードのための高さおよび振幅の画像)。 より大きいコラーゲンの原繊維はよりスムーズなマトリックスに見られたあることである場合もあります。 コラーゲンは水の高い比率を含んでいるので、液体で非常に柔らかいです。

コラーゲン上塗を施してあるシリコーンのフィルムの液体の図 6. 断続的な接触モードの画像 (10 の x 10 ミクロン)。 M.J.B. Wissink の Twente、ネザーランドの大学の礼儀を見本抽出して下さい。

より小さい画像で、 D バンディングの構造の細部は見ることができます。 同じサンプルの高さ、振幅および段階の画像はより小さいスキャン領域のための図 7 で示されています (2 の x 2 ミクロン)。 D バンディングは背景のマトリックスの画像を渡って斜めにあっているコラーゲンのファイバーについてはすべての 3 つの画像で見ることができます。 全コラーゲンの層が非常に柔らかいが、 67 nm のバンディングははっきり見ることができます。

図 7. 2 の x 2 ミクロンのバッファ (M.J.B の collagencoated シリコーンの断続的な接触モードスキャンのサンプル礼儀。 Wissink の Twente、ネザーランドの大学)。

一直線に並べられたコラーゲンの層および指示されたセル成長

コラーゲンの分子は雲母サポートに薄い (~ 3 nm) 平らな層で表面に均等に塗るためにアセンブルされ、吸着することができます。 およそ 5 つの個々のコラーゲンの分子はおよそ 3-5 nm の側面サイズと形式の microfibrils を、関連付けます。 これらの microfibrils の単一層は表面に nanostructured、生物学的に実行中の表面を形作るためにそれから吸着することができます。 これらの microfibrils は自然なティッシュで見られるより大きいコラーゲンのファイバーの形成の中間段階であるためにまた本当らしいです。

構成の最初のレベルは流体力学の流れの条件の下の吸着によって達成することができる表面層をに全面的なオリエンテーションがあるようにコラーゲンの原繊維を一直線に並べることです。 沈殿の後のある特定の時間以内に、オリエンテーションはまた AFM の先端を使用して処理することができます。 図 8 はバッファ (z 範囲 5.5 nm) で取りはずされたコラーゲンの 750 x 750 nm の断続的な接触モードの高さの画像を示します。 サンプルは A. Taubenberger の D.J. Mullerr Cellular 機械グループ、技術的な大学ドレスデンの礼儀です。 ファイバーはすべて同じ方向で方向づけられ、 67 nm の D 繰り返しは個々のファイバーで見ることができます。 この場合隣接した原繊維間の D 繰り返しの大規模なアラインメントがありません。

図 8. 断続的なバッファ (750 x 750 nm の z 範囲 5.5 nm) の取りはずされたコラーゲンの接触モードの画像。 A. Taubenberger の D.J. Mullerr Cellular 機械グループ、 TU ドレスデンの礼儀を見本抽出して下さい。

コラーゲンの microfibrils の Drepeat のバンディングがまた一直線に並べば構成のそれ以上のレベルを自然なティッシュでように、達成することができます。 D 繰り返しのアラインメントか非同盟は沈殿バッファのイオンの構成に敏感であり、アラインメントは eukaryotic セルの細胞質か細胞外の環境をまねる解決で見られます。 図 9 で示されている高さおよび縦の偏向の画像では分子は隣接したコラーゲンの原繊維の Drepeat バンドの全面的なアラインメントがあるように沈殿しました。 図 10 の画像は A. Taubenberger の D.J. Mullerr Cellular 機械グループ、 TU ドレスデンの礼儀です。 このサンプルでは、コラーゲンは完全に表面をカバーしないし、ガラス表面が下目に見えるところにギャップは見ることができます。

液体の図 9. 一直線に並べられた取りはずされたコラーゲンの原繊維。 A. Taubenberger、 D.J. Mullerr Cellular の画像礼儀はグループ、 TU ドレスデンを機械で造ります。

これらの表面に薄いコーティングとして置かれる自然なコラーゲンのファイバーの nanostructural 特性のいくつかがあります。 D 繰り返しのアラインメントはまた bioactive 表面を作り出します。 原繊維が方向づけられるコラーゲンで培われる、一直線に並ばない繊維芽細胞のセルは形または成長の方向の特定のオリエンテーションを示しませんが。 Drepeats がまた、しかし一直線に並ぶとき、繊維芽細胞は軸線の方向に沿う非常に方向づけられた運動性を示し、この方向で細長い形があります。 単独で原繊維の大規模なオリエンテーションによって引き起こされた表面の質はセル運動性を制御して十分ではなかったしこれは指導のセル成長の D バンドアラインメントのための生物的機能を提案します。

結論

AFM はコラーゲンの構造のアラインメントそして構成のレベルを観察するための強力なツールです。 自然なコラーゲンの構造、隔離された原繊維および小説の生体材料は生理学的な条件の下ですべて調査することができます。 これらの測定は基本的な生物的質問を照らすことができましたり、また新しい biocompatible またはとりわけ bioactive 合成物をテストします。

ソース: JPK の器械

このソースのより多くの情報のために JPK の器械を訪問して下さい

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

Last Update: 13. June 2013 21:06

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit