Observando os Níveis de Alinhamento e de Organização em Estruturas do Colagénio Usando a Microscopia Atômica da Força por Instrumentos de JPK

Assuntos Cobertos

Estrutura e Função do Colagénio
Tecido Naturalmente Formado do Colagénio
Fibrilas Depositadas do Colagénio - Carcaças para Estudos da Pilha de Osso
Estruturas do Colagénio dentro do Osso Natural
Filme Depositado do Colagénio para Implantes
Camadas Alinhadas do Colagénio e Crescimento Dirigido da Pilha
Conclusões

Estrutura e Função do Colagénio

O Colagénio é a proteína a mais abundante no corpo humano, esclarecendo ao redor 30% da quantidade total de proteína. O Colagénio é um apoio estrutural para a maioria de tecidos no corpo como a matriz extracelular, e é particularmente abundante no tecido conjuntivo. A Pele, por exemplo, é colagénio de ao redor 75%, e o colagénio tem conseqüentemente um papel vital em muitos processos tais como a cura esbaforido. A produção ou a mineralização do Colagénio são a base para a formação de cartilagem, tendões ou ossos. As Pilhas em todos os tecidos restantes do corpo são cercadas igualmente por umas estruturas mais finas do colagénio através da matriz extracelular, assim que o colagénio tem um papel vital igualmente na proliferação, na migração e na diferenciação de pilha.

O Colagénio é uma família de ao redor 20 proteínas relativas, que formam hélices triplas através de três correntes do polipeptídeo que enrolam em torno de se na corda-como a estrutura. Estes triplo-encalharam protofibrils nanômetro-feitos sob medida podem ligar junto para formar tipos diferentes de estruturas de mais alto nível. As fibras resistentes do colagénio formadas pelo Tipo - 1 colagénio dá os tendões ou os ligamentos sua força de alta elasticidade, mas outros tipos de colagénio formam estruturas menores, ou mais ramificadas na matriz extracelular. O Colagénio é envolvido na estrutura ou a função de muitos tecidos, tão lá é muitas doenças associadas com o mau funcionamento do colagénio. Um defeito genético chamou a síndrome de Alport que afeta o Tipo colagénio de IV, por exemplo, mau funcionamento das causas dos glomérulo nos rins, assim como em problemas do olho e da orelha, e condu-la geralmente à insuficiência renal.

A estrutura do Tipo - as fibrilas de 1 colagénio são esboçadas esquematicamente em Figura 1. Três correntes do polipeptídeo enrolam junto para formar uma estrutura helicoidal dura. Estas moléculas do colagénio alinham então ao longo da linha central e do grupo da hélice como um pacote para formar as fibrilas do colagénio. Estas fibrilas do colagénio podem igualmente alinhar lateralmente para formar pacotes em um pedido mais alto da estrutura e para compo as fibras mícron-feitas sob medida resistentes do colagénio encontradas nos ligamentos. Uma característica das fibrilas do colagénio é sua estrutura unida. O diâmetro da fibrila muda ligeira ao longo do comprimento, com uma repetição altamente reprodutível da D-Faixa de aproximadamente 67nm.

Figura 1. diagrama Esquemático do Tipo Mim estrutura da fibrila do colagénio. As moléculas Helicoidais do colagénio formam de três correntes do polipeptídeo, e estas associam lateralmente para formar fibrilas do colagénio com uma estrutura unida característica.

Com exceção de sua função natural no corpo, o colagénio foi usado igualmente em técnico e as aplicações médicas como uma superfície fisiológico modelo para a cultura celular, implantam o biocompatibility e o crescimento dirigido da pilha.

Tecido Naturalmente Formado do Colagénio

As estruturas unidas clássico da fibrila podem ser consideradas claramente no colagénio da cauda de rato, que demonstra o alto nível da estrutura e a regularidade possível em fibras do colagénio. Figura 2 altura das mostras e imagens verticais da deflexão de fibras do colagénio da cauda de rato, para uma área de uma varredura de 2 x 2 mícrons. Nesta imagem, muitas das fibras são encontrar-se paralelo, embora alguns sejam cruzados sobre no canto mais baixo da mão esquerda. A imagem de secção transversal abaixo mostra uma secção ao longo da linha central central da fibra. Os marcadores vermelhos são 1345 nanômetro distante, que correspondem a 20 repetições da D-Faixa. Isto dá um valor para esta amostra de 67,3 nanômetro para o período da repetição. As Mudanças no período da repetição devido às várias mutações podem ser importantes de medir exactamente.

Figura 2. Altura e imagens verticais da deflexão de uma área de uma varredura de 2 x 2 mícrons em uma amostra do colagénio da cauda de rato. O secção transversal mostra 20 repetições da D-Borda identificada por meio de linhas vermelhas, doação e período médio de 67,3 nanômetro.

Figura 3 mostra (600 x 600 nanômetro) varreduras menores da mesma amostra, outra vez altura e sinais verticais da área da deflexão, mostrar a estrutura mais alta do pedido que é visível. A terceira imagem é parte da varredura da altura depois que foi alto-passagem filtrada para remover a curvatura do fundo da fibra. Isto mostra as características menores mais claramente, e a imagem de secção transversal mostra o afastamento das estruturas pequenas na superfície. A escala da altura para o secção transversal não é absoluta, desde que a curvatura da fibra do fundo foi removida. O tamanho lateral das características é ao redor 7 nanômetro. As características do Exemplo são identificadas por meio de linhas vermelhas com uma separação de 6,7 nanômetro.

Figura 3. Altura e imagens verticais da deflexão de umas 600 x 600 áreas do nanômetro de uma fibrila do colagénio do rato. Além da borda transversal, há igualmente uma estrutura visível através da fibra, segundo as indicações do secção transversal na Divisória mais baixa.

Fibrilas Depositadas do Colagénio - Carcaças para Estudos da Pilha de Osso

As fibrilas Isoladas do colagénio de uma amostra bovina do tendão (depositada na baixa densidade em vidro APTES-revestido) são mostradas em Figura 4. As imagens são cortesia do Prof. M. Horton, Osso e Centro Mineral do University College Londres e o Centro de Londres para a Nanotecnologia. A imagem óptica (parte superior) mostra que o modilhão do AFM e as fibrilas maiores do colagénio são igualmente contraste óptico de utilização visível da fase. As duas grandes imagens do AFM mostram a altura e sinais verticais da deflexão para uma área de uma varredura de 100 x 100 mícrons. A Maioria das fibrilas formam lisamente o encurvamento de estruturas. (5 x 5 mícrons) uma varredura menor é mostrada igualmente como uma imagem da altura 3D, onde a periodicidade da fibrila possa ser considerada.

A Figura 4. fibrilas Bovinas do colagénio do tendão no APTES-vidro, a cortesia de imagens do Prof. M. Horton, o Osso e o Centro Mineral UCL e Londres Centram-se para a Nanotecnologia. Imagens Ópticas do AFM da altura e da deflexão da área da varredura do contraste da fase (parte superior), imagem da altura 100 x 100 dos mícrons (centro), e 5 x 5 do mícron 3D (parte inferior).

Estruturas do Colagénio dentro do Osso Natural

Apesar aparentemente da estabilidade do osso, o osso no esqueleto de um ser humano vivo está sendo remodelado de facto constantemente. Osteoblasts e os osteoclasts são as pilhas que são responsáveis para a formação e a reabsorção do osso, e junto mantêm um equilíbrio dinâmico no esqueleto de adultos saudáveis. O Colagénio tem um papel vital nestes processos, desde que forma a estrutura estrutural da proteína do osso, e igualmente tem um papel na sinalização entre os osteoblasts e os osteoclasts.

Figura 5 mostra imagens do AFM de uma fatia de osso cortical onde a estrutura do colagénio do osso foi revelada pelos osteoclasts que removem o colagénio e os minerais. As fibras Lateralmente associadas do colagénio com D-Borda clara são vistas nas imagens da topografia e do erro. Uma lacuna do osteocyte é considerada dentro do osso (rodeado). A cortesia de Imagens de Bozec e de Horton, UCL e Londres Centram-se para a Nanotecnologia. As imagens superiores do AFM mostram uma área de 4 x 4 mícrons com uma z-escala de 521 nanômetro para a imagem da altura e um zrange de 300 milivolt para a imagem da deflexão. A imagem mais baixa mostra um zoom 3-D da projecção da altura na lacuna do osteocyte, no poço da reabsorção formado pela remoção do colagénio e em minerais. Usando o AFM, o regime da fibrila, a periodicidade e o diâmetro podem ser medidos estatìstica, dando a possibilidade às diferenças subtis do estudo entre tecidos saudáveis ou doentes.

Figura 5. estrutura do colagénio do Osso revelada pelos osteoclasts que removem o colagénio e os minerais de uma fatia de osso cortical. A cortesia de Imagens de Bozec e de Horton, UCL e Londres Centram-se para a tecnologia de Nan. área de uma varredura de 4 x 4 mícrons para ambas as grandes imagens do AFM (521 alturas da z-escala do nanômetro, imagem da deflexão da z-escala 300mV). zoom 3-D da projecção da altura na lacuna do osteocyte.

Filme Depositado do Colagénio para Implantes

Os Vários métodos foram desenvolvidos para depositar o colagénio em materiais para formar superfícies biocompatible, ou para o crescimento dirigido da pilha. O colagénio pode ser fixado relativamente direta às superfícies tais como o vidro, mas é mais difícil anexar estàvel o colagénio aos materiais sintéticos tais como o silicone. Estes tipos de estruturas compostas podem ser usados para promover a cura esbaforido e para melhorar o biocompatibility dos materiais para implantes, enxertos particularmente vasculares. O colagénio ligado pode ser tratado com as moléculas tais como a heparina para reduzir a activação da trombose, ou o factor de crescimento do fibroblasto para promover a semeação endothelial da pilha.

As imagens em Figura 6 mostram uma vista geral de 10 x 10 mícrons de uma amostra de filme colagénio-revestido do silicone (cortesia da amostra de M.J.B. Wissink, Universidade de Twente, Dos Países Baixos). A amostra era imaged sob a solução salina protegida (PBS) fosfato (imagens da altura e da amplitude para o modo de contacto intermitente no líquido). As fibrilas maiores do colagénio podem ser encontro visto em uma matriz mais lisa. O colagénio é muito macio no líquido, desde que contem uma elevada percentagem da água.

Figura 6. imagem Intermitente do modo de contacto no líquido (10 x 10 mícrons) de um filme colagénio-revestido do silicone. Prove a cortesia de M.J.B. Wissink, Universidade de Twente, Os Países Baixos.

Em imagens menores, os detalhes da estrutura da D-Borda podem ser considerados. As imagens da Altura, da amplitude e da fase da mesma amostra são mostradas em Figura 7 para uma área menor da varredura (2 x 2 mícrons). A D-Borda pode ser vista em todas as três imagens para as fibras do colagénio, que se estão encontrando diagonalmente através da imagem na matriz do fundo. Embora a camada inteira do colagénio seja muito macia, a borda de 67 nanômetro pode ser vista claramente.

Figura 7. varredura intermitente do modo de contacto de 2 x 2 mícrons do silicone collagencoated no amortecedor (cortesia da amostra de M.J.B. Wissink, Universidade de Twente, Dos Países Baixos).

Camadas Alinhadas do Colagénio e Crescimento Dirigido da Pilha

As moléculas do Colagénio podem ser montadas e fixado em apoios de mica para revestir uniformente a superfície (~ 3 nanômetro) em uma camada lisa fina. Ao Redor cinco moléculas individuais do colagénio associam microfibrils do formulário, com um tamanho lateral de ao redor 3-5 nanômetro. Um monolayer destes microfibrils pode então ser fixado à superfície para formar uma superfície nanostructured, biologicamente activa. Estes microfibrils são igualmente prováveis ser uma fase intermediária na formação das fibras maiores do colagénio consideradas no tecido natural.

O primeiro nível de organização é alinhar as fibrilas do colagénio de modo que haja uma orientação total na camada de superfície, que pode ser conseguida com da fixação sob circunstâncias do fluxo hidrodinâmico. Dentro de algum tempo após o depósito, a orientação pode igualmente ser manipulada usando a ponta do AFM. Figura 8 mostra uma imagem intermitente da altura do modo de contacto de 750 x de 750 nanômetro do colagénio unfixed no amortecedor (z-escala 5,5 nanômetro). A amostra é cortesia de A. Taubenberger, grupo das Máquinas de D.J. Müller Celular, Universidade Técnica Dresden. Todas as fibras são orientadas no mesmo sentido, e a D-Repetição de 67 nanômetro pode ser considerada nas fibras individuais. Neste caso não há nenhum alinhamento em grande escala da D-Repetição entre fibrilas adjacentes.

Figura 8. imagem Intermitente do modo de contacto de colagénio unfixed no amortecedor (750 x 750 nanômetro, z-escala 5,5 nanômetro). Prove a cortesia de A. Taubenberger, Máquinas grupo de D.J. Müller Celular, a TURQUIA Dresden.

Um nível mais adicional de organização pode ser conseguido se a borda de Drepeat dos microfibrils do colagénio é alinhada igualmente, como no tecido natural. O alinhamento ou o não-alinhamento das D-Repetições são sensível à composição iónica do amortecedor do depósito, e o alinhamento é considerado nas soluções que imitam ambientes citoplasmáticas ou extracelulares de pilhas eucarióticas. Na altura e nas imagens verticais da deflexão mostradas em Figura 9, as moléculas foram depositadas de modo que houvesse um alinhamento total das faixas de Drepeat de fibrilas adjacentes do colagénio. As imagens em Figura 10 são cortesia de A. Taubenberger, Máquinas grupo de D.J. Müller Celular, a TURQUIA Dresden. Nesta amostra, o colagénio não cobre completamente a superfície e as diferenças podem ser consideradas onde a superfície do vidro é visível abaixo.

Figura 9. fibrilas unfixed Alinhadas do colagénio no líquido. A cortesia de Imagens de A. Taubenberger, D.J. Müller Celular Faz À Máquina o grupo, a TURQUIA Dresden.

Estas superfícies têm algumas das propriedades nanostructural de fibras naturais do colagénio, estabelecidas como um revestimento fino. O alinhamento das D-Repetições igualmente produz uma superfície bioactive. As pilhas do Fibroblasto cultivadas no colagénio onde as fibrilas são orientadas, mas não alinhadas, não mostram nenhuma orientação particular de seu sentido da forma ou do crescimento. Quando o Drepeats é alinhado igualmente, contudo, os fibroblasto mostram a mobilidade altamente orientada ao longo do sentido da linha central, e têm uma forma alongada neste sentido. A textura da superfície causada pela orientação em grande escala das fibrilas apenas não era suficiente para controlar a mobilidade da pilha, e esta sugere uma função biológica para o alinhamento da D-Faixa no crescimento de guiamento da pilha.

Conclusões

O AFM é uma ferramenta poderosa para observar os níveis de alinhamento e de organização em estruturas do colagénio. As estruturas Naturais do colagénio, as fibrilas isoladas e os matérias biológicos da novela podem tudo ser estudados sob circunstâncias fisiológicos. Estas medidas podem iluminar perguntas biológicas fundamentais, assim como testam compostos biocompatible ou especificamente bioactive novos.

Source: Instrumentos de JPK

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Instrumentos de JPK

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

Last Update: 13. June 2013 21:20

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