Het Waarnemen van de Niveaus van Groepering en Organisatie in de Structuren die van het Collageen de AtoomMicroscopie van de Kracht Gebruiken door JPK Instrumenten

Besproken Onderwerpen

De Structuur en de Functie van het Collageen
Het Natuurlijk Gevormde Weefsel van het Collageen
De Gedeponeerde Fibrillen van het Collageen - Substraten voor de Studies van de Cel van het Been
De Structuren van het Collageen binnen Natuurlijk Been
De Gedeponeerde Film van het Collageen voor Implants
De Gerichte Lagen van het Collageen en de Geleide Groei van de Cel
Conclusies

De Structuur en de Functie van het Collageen

Het Collageen is de overvloedigste proteïne in het menselijke lichaam, die rond 30% van het totaal van proteïne vertegenwoordigen. Het Collageen is een structurele steun voor de meeste weefsels in het lichaam als extracellulaire matrijs, en is bijzonder overvloedig in bindweefsel. De Huid, bijvoorbeeld, is rond 75% collageen, en het collageen heeft daarom een essentiële rol in vele processen zoals het gekronkeld helen. De productie of de mineralisering van het Collageen is de basis voor de vorming van kraakbeen, pezen of beenderen. De Cellen in alle andere weefsels van het lichaam worden ook omringd door fijnere collageenstructuren door de extracellulaire matrijs, zodat heeft het collageen ook een essentiële rol in celproliferatie, migratie en differentiatie.

Het Collageen is een familie van rond 20 verwante proteïnen, welke vorm drievoudige schroeven door polypeptide drie het winden rond elkaar in een kabel-als structuur ketent. Drievoudig-vastgelopen Deze nanometre-gerangschikt protofibrils kunnen aan vorm verschillende types van hogere niveaustructuren samenbinden. De taaie die collageenvezels door het collageen van het Type 1 worden gevormd geven pezen of ligamenten hun sterkte met grote trekspanning, maar andere types van collageen vormen kleinere, of meer vertakte structuren in de extracellulaire matrijs. Het Collageen is betrokken bij de structuur of de functie van vele weefsels, zodat zijn er vele ziekten verbonden aan collageendefect. Een genetisch tekort riep syndroom Alport die Type IV beïnvloeden collageen, bijvoorbeeld, oorzakendefect van de kluwens in de nieren, evenals oog en oorproblemen, en leidt over het algemeen tot niermislukking.

De structuur van het collageenfibrillen van het Type 1 wordt geschetst schematisch in Figuur 1. Drie polypeptidekettingen winden samen om een stijve spiraalvormige structuur te vormen. Deze collageenmolecules richten zich dan langs de de schroefas en groep als bundel om de collageenfibrillen te vormen. Deze collageenfibrillen kunnen zich ook lateraal richten om bundels op een hogere orde van structuur te vormen en de taaie micron-gerangschikte die collageenvezels in ligamenten worden gevonden omhoog te maken. Een kenmerkende eigenschap van de collageenfibrillen is hun gestreepte structuur. De diameter van de fibril verandert lichtjes langs de lengte, met hoogst reproduceerbare een D-Band herhaling van ongeveer 67nm.

Figuur 1. Schematisch diagram van Type I de structuur van de collageenfibril. De Spiraalvormige vorm van collageenmolecules van drie polypeptidekettingen, en deze associëren lateraal om collageenfibrillen met een kenmerkende gestreepte structuur te vormen.

Ongeacht zijn natuurlijke functie in het lichaam, is het collageen ook gebruikt in technische en medische toepassingen als model fysiologische oppervlakte voor celcultuur, implant biocompatibility en de geleide celgroei.

Het Natuurlijk Gevormde Weefsel van het Collageen

De klassieke gestreepte fibrilstructuren kunnen duidelijk in het collageen van de rattenstaart worden gezien, dat de hoge graad van structuur en regelmatigheid mogelijk in collageenvezels aantoont. Figuur 2 toont hoogte en verticale afbuigingsbeelden van het collageenvezels van de rattenstaart, voor het gebied van het 2 x 2 micronaftasten. In dit beeld, liggen veel van de vezels aan elkaar evenwijdig, hoewel enkelen over in de lagere linkerhoek worden gekruist. Het dwarsdoorsnedebeeld toont hieronder een sectie langs de centrale vezelas. De rode tellers zijn apart 1345 NM, wat aan D-Band 20 herhaalt beantwoordt. Dit geeft een waarde voor deze steekproef van 67.3 NM voor de herhalingsperiode. De Veranderingen in de herhalingsperiode toe te schrijven aan diverse veranderingen kunnen belangrijk zijn om nauwkeurig te meten.

Figuur 2. De Hoogte en de verticale afbuigingsbeelden van 2 x 2 micron tasten gebied op een het collageensteekproef van de rattenstaart af. De dwarsdoorsnede toont 20 van D-Verbindt duidelijk met rode lijnen, het geven en gemiddelde periode van 67.3 NM herhalen.

Figuur 3 toont kleiner (600 x 600 NM) gebiedsaftasten van de zelfde steekproef, opnieuw hoogte en verticale afbuigingssignalen, om de hogere ordestructuur te tonen die zichtbaar is. Het derde beeld maakt deel uit van het hoogteaftasten nadat het high-pass gefiltreerd is geweest om de achtergrondkromming van de vezel te verwijderen. Dit toont de kleinere eigenschappen duidelijker, en het dwarsdoorsnedebeeld toont het uit elkaar plaatsen van de kleine structuren op de oppervlakte. De hoogteschaal voor de dwarsdoorsnede is niet absoluut, aangezien de achtergrondvezelkromming is verwijderd. De zijgrootte van de eigenschappen is rond 7 NM. De eigenschappen van het Voorbeeld zijn duidelijk met rode lijnen met een scheiding van 6.7 NM.

Figuur 3. Hoogte en verticale afbuigingsbeelden van 600 x 600 NM- gebieds van een fibril van het rattencollageen. Naast het transversale verbinden, is er ook structuur zichtbaar over de vezel, zoals aangetoond in de dwarsdoorsnede in het lagere deel.

De Gedeponeerde Fibrillen van het Collageen - Substraten voor de Studies van de Cel van het Been

De Geïsoleerde collageenfibrillen van een runderdiepeessteekproef (bij lage dichtheid op APTES-Met een laag bedekt glas wordt gedeponeerd) worden getoond in Figuur 4. De beelden zijn hoffelijkheid van Prof. M. Horton, Been en Mineraal Centrum van Universitaire Universiteit Londen en het Centrum van Londen voor Nanotechnologie. Het optische beeld (bovenkant) toont de cantilever AFM en de grotere collageenfibrillen zijn ook zichtbaar gebruikend optisch fasecontrast. De twee grote beelden AFM tonen hoogte en verticale afbuigingssignalen voor het gebied van het 100 x 100 micronaftasten. De Meeste fibrillen vormen regelmatig buigende structuren. Een kleiner (5 x 5 micron) aftasten wordt ook getoond als 3D hoogtebeeld, waar de fibrilperiodiciteit kan worden gezien.

Figuur 4. De Runder fibrillen van het peescollageen op APTES-Glas, beeldenhoffelijkheid van Prof. M. Horton, Been en Mineraal Centrum UCL en het Centrum van Londen voor Nanotechnologie. Het gebiedshoogte van het Optisch fasecontrast (bovenkant), 100 x 100 micronaftasten en afbuigingsAFM beelden (centrum), en beeld van de 5 x 5 micron 3D hoogte (bodem).

De Structuren van het Collageen binnen Natuurlijk Been

Ondanks de blijkbaar stabiliteit van been, in feite wordt het been in het skelet van een levende mens constant geremodelleerd. Osteoblasts en osteoclasts is cellen die voor de vorming en de resorptie van been verantwoordelijk zijn, en samen handhaven zij een dynamisch evenwicht in het skelet van gezonde volwassenen. Het Collageen heeft een essentiële rol in deze processen, aangezien het het structurele eiwitkader van been vormt, en speelt ook een rol in het signaleren tussen osteoblasts en osteoclasts.

Figuur 5 toont beelden AFM van een plak van corticaal been waar de structuur van het beencollageen door osteoclasts verwijderend collageen en mineralen is geopenbaard. Worden de Lateraal bijbehorende collageenvezels met duidelijke D-Verbindt gezien in de topografie en foutenbeelden. Een osteocytelacune wordt gezien binnen het (geringde) been. De hoffelijkheid van Beelden van het Centrum van Bozec en van Horton, van UCL en van Londen voor Nanotechnologie. De hogere beelden AFM tonen 4 x 4 microngebied met een 521 NM z-waaier voor het hoogtebeeld en 300 mV zrange voor het afbuigingsbeeld. Het lagere die beeld toont een 3-D gezoem van de hoogteprojectie in de osteocytelacune, de resorptiekuil door verwijdering van collageen wordt gevormd en mineralen. Gebruikend AFM, kunnen de fibrilregeling, de periodiciteit en de diameter statistisch worden gemeten, gevend de mogelijkheid om subtiele verschillen tussen gezonde of zieke weefsels te bestuderen.

Figuur 5. Het collageenstructuur van het Been door osteoclasts wordt geopenbaard die collageen en mineralen verwijderen uit een plak van corticaal been dat. De hoffelijkheid van Beelden van het Centrum van Bozec en van Horton, van UCL en van Londen voor technologie Nan. het gebied van het 4 x 4 micronaftasten voor beide grote beelden AFM (521 NM z-waaier hoogte, z-waaier 300mV afbuigingsbeeld). 3-D gezoem van de hoogteprojectie in osteocytelacune.

De Gedeponeerde Film van het Collageen voor Implants

Diverse methodes zijn ontwikkeld om collageen op materialen om biocompatibele oppervlakten te vormen, of voor de geleide celgroei te deponeren. Het collageen kan vrij rechtstreeks aan oppervlakten zoals glas worden geadsorbeerd, maar het is moeilijker om collageen aan synthetische materialen zoals silicone stabiel vast te maken. Deze soorten samengestelde structuren kunnen worden gebruikt om het gekronkeld helen te bevorderen en biocompatibility van materialen voor implants, in het bijzonder vasculaire enten te verbeteren. Het crosslinked collageen kan met molecules zoals heparine om tromboseactivering te verminderen, of de factor van de fibroblastgroei worden behandeld om het endothelial cel zaaien te bevorderen.

De beelden in Figuur 6 tonen 10 x 10 micronoverzicht van een steekproef van collageen-met een laag bedekte siliconefilm (steekproefhoffelijkheid van M.J.B. Wissink, Universiteit van Twente, Nederland). De steekproef was imaged onder fosfaat voor als buffer opgetreden zoute (PBS) oplossing (hoogte en omvangbeelden voor intermitterende contactwijze in vloeistof). De grotere collageenfibrillen kunnen worden gezien liggend in een meer vlote matrijs. Het collageen is zeer zacht in vloeistof, aangezien het een hoog deel van water bevat.

Figuur 6. Het Intermitterende beeld van de contactwijze in vloeistof (10 x 10 microns) van een collageen-met een laag bedekte siliconefilm. De hoffelijkheid van de Steekproef van M.J.B. Wissink, Universiteit van Twente, Nederland.

Voor kleinere beelden, kunnen de details van de D-Verbindende structuur worden gezien. De beelden van de Hoogte, van de omvang en van de fase van de zelfde steekproef worden getoond in Figuur 7 voor een kleiner aftastengebied (2 x 2 microns). D-Verbindt kan in alle drie beelden voor de collageenvezels worden gezien, die diagonaal over het beeld in de achtergrondmatrijs liggen. Hoewel de gehele collageenlaag zeer zacht is, 67 kunnen het verbinden duidelijk worden gezien.

Figuur 7. de wijzeaftasten van het 2 x 2 micron intermitterend contact van collagencoated silicone in buffer (steekproefhoffelijkheid van M.J.B. Wissink, Universiteit van Twente, Nederland).

De Gerichte Lagen van het Collageen en de Geleide Groei van de Cel

De molecules van het Collageen kunnen op micasteunen worden geassembleerd en worden geadsorbeerd om de oppervlakte in een dunne (~ 3 NM) vlakke laag gelijk met een laag te bedekken. Rond vijf individuele collageenmolecules associëren vorm microfibrils, met een zijgrootte van rond 3-5 NM. Monolayer van deze microfibrils kan dan aan de oppervlakte worden geadsorbeerd om a te vormen nanostructured, biologisch actieve oppervlakte. Deze microfibrils zullen ook waarschijnlijk een middenstadium in de vorming van de grotere die collageenvezels zijn in natuurlijk weefsel worden gezien.

Het eerste niveau van organisatie moet de collageenfibrillen richten zodat er een algemene richtlijn in de oppervlaktelaag is, die door het adsorberen in de omstandigheden van hydrodynamische stroom kan worden bereikt. Binnen een bepaalde tijd na deposito, kan de richtlijn ook worden gemanipuleerd gebruikend het uiteinde AFM. Figuur 8 toont beeld van de de wijzehoogte van het 750 x 750 NM het intermitterende contact van losgemaakt collageen in buffer (z-waaier 5.5 NM). De steekproef is hoffelijkheid van A. Taubenberger, D.J. groep van de Machines van Müller de Cellulaire, Technisch Universitair Dresden. De vezels zijn georiënteerd allen in de zelfde richting, en de 67 NM D-Herhaling kan op de individuele vezels worden gezien. In dit geval is er geen groepering op grote schaal van de D-Herhaling tussen aangrenzende fibrillen.

Figuur 8. Het Intermitterende beeld van de contactwijze van losgemaakt collageen in buffer (750 x 750 NM, z-waaier 5.5 NM). De hoffelijkheid van de Steekproef van A. Taubenberger, D.J. de Cellulaire Machines van Müller groepeert zich, TURKIJE Dresden.

Een verder niveau van organisatie kan als het verbinden Drepeat van het collageen microfibrils ook wordt gericht, zoals in natuurlijk weefsel worden bereikt. De groepering of de niet-groepering van de D-Herhalingen zijn gevoelig voor de Ionische samenstelling van de depositobuffer, en de groepering wordt gezien in oplossingen nabootsend cytoplasmic of extracellulaire milieu's van eukaryotic cellen. In de hoogte en de verticale die afbuigingsbeelden in Figuur 9 wordt getoond, zijn de molecules gedeponeerd zodat er een algemene groepering van de banden Drepeat van aangrenzende collageenfibrillen is. De beelden in Figuur 10 zijn hoffelijkheid van A. Taubenberger, D.J. groep van de Machines van Müller de Cellulaire, TURKIJE Dresden. In deze steekproef, behandelt het collageen volledig niet de oppervlakte en de hiaten kunnen worden gezien waar de glasoppervlakte eronder zichtbaar is.

Figuur 9. Gerichte losgemaakte collageenfibrillen in vloeistof. De hoffelijkheid van Beelden van A. Taubenberger, D.J. de Cellulaire Machines van Müller groepeert zich, TURKIJE Dresden.

Deze oppervlakten hebben enkele nanostructural eigenschappen van natuurlijke collageenvezels, bepaald als film. De groepering van de D-Herhalingen veroorzaakt ook een bioactivee oppervlakte. De cellen van de Fibroblast op het collageen worden gecultiveerd waar de fibrillen georiënteerd zijn, maar niet gericht, tonen geen bepaalde richtlijn van hun vorm of de groeirichting die. Wanneer Drepeats ook wordt gericht, echter, tonen de fibroblasten hoogst georiënteerde motiliteit langs de asrichting, en hebben een verlengde vorm in deze richting. De textuur van de oppervlakte door richtlijn op grote schaal van de fibrillen wordt veroorzaakt volstond alleen niet om celmotiliteit te controleren, en dit stelt een biologische functie voor de D-Band groepering in het leiden van de celgroei die voor.

Conclusies

AFM is een krachtig hulpmiddel om de niveaus van groepering en organisatie in collageenstructuren waar te nemen. De Natuurlijke collageenstructuren, de geïsoleerde fibrillen en de nieuwe biologisch materialen kunnen allen in de fysiologische omstandigheden worden bestudeerd. Deze metingen kunnen fundamentele biologische vragen verlichten, evenals testen nieuwe biocompatibele of specifiek bioactivee samenstellingen.

Bron: Instrumenten JPK

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Instrumenten JPK

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

Last Update: 13. June 2013 20:52

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit