Наблюдать Уровнями Выравнивания и Организации в Структурах Коллагена Используя Атомную Микроскопию Усилия Аппаратурами JPK

Покрытые Темы

Структура и Функция Коллагена
Естественно Сформированная Ткань Коллагена
Депозированные Волоконца Коллагена - Субстраты для Изучений Клетки Косточки
Структуры Коллагена внутри Естественная Косточка
Депозированный Фильм Коллагена для Implants
Выровнянные Слои Коллагена и Сразу Рост Клетки
Заключения

Структура и Функция Коллагена

Коллаген самый обильный протеин в человеческом теле, определяя вокруг 30% из полной суммы протеина. Коллаген структурная поддержка для большинств тканей в теле как внеклеточная матрица, и в частности обильн в соединительной ткани. Кожа, например, коллаген вокруг 75%, и коллаген поэтому имеет существенную роль в много процессов как излечивать раны. Продукция или орудение Коллагена основа для образования хрящевины, сухожилия или косточки. Клетки в всех других тканях тела также окружены более точными структурами коллагена через внеклеточную матрицу, поэтому коллаген имеет существенную роль также в пролиферации, переселении и дифференцировании клетки.

Коллаген семейство вокруг 20 отнесенных протеинов, которые формируют втройне винтовые линии через 3 цепи полипептида обматывая вокруг одина другого в a веревочк-как структура. Эти втройне-сели нанометр-определенные размер protofibrils на мель могут связать совместно для того чтобы сформировать разные виды более высоких структур уровней. Грубые волокна коллагена сформированные Типом - 1 коллаген дает сухожилия или лигаменты их высокая прочность на растяжение, но другие типы коллагена формируют малое, или больше разветвленных строений в внеклеточной матрице. Коллаген включается в структуру или функция много тканей, настолько там много заболеваний связанных с неисправностью коллагена. Генетический дефект вызвал синдром Alport влияя на Тип коллаген IV, например, неисправность причин гломерул в почках, так же, как проблемах глаза и уха, и вообще водит к отказу почки.

Структура Типа - волоконца 1 коллагена сделаны эскиз к схематически в Диаграмме 1. 3 цепи полипептида обматывают совместно для того чтобы сформировать жесткую спиральную структуру. Эти молекулы коллагена после этого выравнивают вдоль оси и группы винтовой линии как пачка для того чтобы сформировать волоконца коллагена. Эти волоконца коллагена могут также выровнять боково для того чтобы сформировать пачки на высшийо порядок структуры и составить грубые микрон-определенные размер волокна коллагена найденные в лигаментах. Характерная особенность волоконец коллагена их полосатое сложение. Диаметр волоконца изменяет немножко вдоль длины, с сильно возпроизводимым повторением D-Диапазона приблизительно 67nm.

Диаграмма 1. Схематическая диаграмма Типа структуры волоконца коллагена I. Спиральные молекулы коллагена формируют от 3 цепей полипептида, и эти связывают боково для того чтобы сформировать волоконца коллагена с характерным полосатым сложением.

Кроме своей естественной функции в теле, коллаген также был использован в техническом и медицинские применения как модельная физиологопсихологическая поверхность для культуры клетки, имплантируют biocompatibility и сразу рост клетки.

Естественно Сформированная Ткань Коллагена

Соединенные классикой структуры волоконца можно увидеть ясно в коллагене кабеля крысы, который демонстрирует высокую степень структуры и закономерность возможную в волокнах коллагена. Диаграмма 2 высота выставок и вертикальные изображения отклонения волокон коллагена кабеля крысы, для зоны развертки 2 x 2 микронов. В этом изображении, много из волокон лежать параллельный к одину другого, хотя несколько пересечены сверх в угол руки нижней части. Изображение профиля ниже показывает раздел вдоль центральной оси волокна. Красные отметки 1345 nm врозь, которое соответствуют до 20 повторений D-Диапазона. Это дает значение для этого образца 67,3 nm на период повторения. Изменения в периоде повторения должном к различным перегласовкам могут быть важны для того чтобы измерить точно.

Диаграмма 2. Высота и вертикальные изображения отклонения зоны развертки 2 x 2 микронов на образце коллагена кабеля крысы. Профиль показывает 20 повторений D-Кольцевания маркированного с красными линиями, давать и средним периодом 67,3 nm.

На Диаграмму 3 показано более малые (600 x 600 nm) развертки такого же образца, снова высоту и вертикальные сигналы зоны отклонения, показать структуру высшийо порядок которая видима. Третье изображение часть развертки высоты после того как оно высокопроходные фильтрованное для того чтобы извлечь погнутость предпосылки волокна. Это показывает более малые характеристики ясно, и изображение профиля показывает дистанционирование малых структур на поверхности. Масштаб высоты для профиля не абсолютн, в виду того что извлекалась погнутость волокна предпосылки. Боковой размер характеристик вокруг 7 nm. Характеристики Примера маркированы с красными линиями с разъединением 6,7 nm.

Диаграмма 3. Высота и вертикальные изображения отклонения 600 x 600 зон nm волоконца коллагена крысы. Кроме поперечного кольцевания, также структура видимая через волокно, как показано в профиле в нижней части.

Депозированные Волоконца Коллагена - Субстраты для Изучений Клетки Косточки

Изолированные волоконца коллагена от bovine образца сухожилия (депозированного на низкой плотности на APTES-покрынном стекле) показаны в Диаграмме 4. Изображения учтивость Prof. M. Horton, Косточка и Минеральный Центр Университета Лондона и Центр Лондона для Нанотехнологии. Оптически изображение (верхняя часть) показывает что AFM консольный и более большие волоконца коллагена также видимы используя оптически контраст участка. 2 больших изображения AFM показывают высоту и вертикальные сигналы отклонения для зоны развертки 100 x 100 микронов. Большое Часть из волоконец формирует ровно изгибать структуры. Более малая (5 x 5 микронов) развертка также показана как изображение высоты 3D, где периодичность волоконца можно увидеть.

Диаграмма 4. Bovine волоконца коллагена сухожилия на APTES-стекле, учтивость изображений Prof. M. Horton, Косточка и Минеральный Центр UCL и Лондон Центризуют для Нанотехнологии. Оптически изображения AFM высоты и отклонения зоны развертки контраста участка (верхней части), изображение высоты 100 x 100 микрона (центр), и 5 x 5 микрона 3D (дно).

Структуры Коллагена внутри Естественная Косточка

Несмотря На по-видимому стабилность косточки, в действительности косточка в скелете живущего человека постоянн remodelled. Osteoblasts и osteoclasts клетки которые ответствены для образования и резорбции косточки, и совместно они поддерживают динамическое равновесие в скелете здоровых взрослых. Коллаген имеет существенную роль в этих процессах, в виду того что он формирует структурные рамки протеина косточки, и также имеет роль в сигнализировать между osteoblasts и osteoclasts.

На Диаграмму 5 показано изображения AFM ломтика кортикальной косточки где структура коллагена косточки была показана osteoclasts извлекая коллаген и минералы. Боково связанные волокна коллагена с ясным D-Кольцеванием увидены в изображениях топографии и ошибки. Лакуна osteocyte увидена внутри косточка (окружённая). Учтивость Изображений Bozec и Horton, UCL и Лондон Центризуют для Нанотехнологии. Верхние изображения AFM показывают зону 4 x 4 микронов с z-рядом 521 nm для изображения высоты и zrange 300 mV для изображения отклонения. Более низкое изображение показывает 3-D сигнал проекции высоты в лакуну osteocyte, яму резорбции сформированную удалением коллагена и минералы. Используя AFM, расположение, периодичность и диаметр волоконца можно измерить статистически, дающ возможность к разницам в изучения тонкий между здоровыми или больной тканями.

Диаграмма 5. структура коллагена Косточки показанная osteoclasts извлекая коллаген и минералы от ломтика кортикальной косточки. Учтивость Изображений Bozec и Horton, UCL и Лондон Центризуют для технологии Nan. зона развертки 4 x 4 микронов для обоих больших изображений AFM (521 высоты z-ряда nm, изображения отклонения z-ряда 300mV). 3-D сигнал проекции высоты в лакуну osteocyte.

Депозированный Фильм Коллагена для Implants

Различные методы были начаты для того чтобы депозировать коллаген на материалы для того чтобы сформировать biocompatible поверхности, или для сразу роста клетки. Коллаген можно адсорбировать относительно прямодушно к поверхностям как стекло, но трудне прикрепить коллаген стабилизированно к синтетическим материалам как силикон. Эти виды составных структур можно использовать для того чтобы повысить рану излечивая и улучшить biocompatibility материалов для implants, в частности васкулярных прививков. Crosslinked коллаген можно обработать с молекулами как гепарин для уменьшения активации затромбирования, или фактором роста фиброцита повысить эндотелиальный осеменять клетки.

Изображения в Диаграмме 6 показывают обзор 10 x 10 микронов образца коллаген-покрынного фильма силикона (учтивости образца M.J.B. Wissink, Университета Twente, Нидерланды). Образец был imaged под разрешением амортизированным фосфатом (PBS) saline (изображения высоты и амплитуды для прерывистого режима контакта в жидкости). Более большие волоконца коллагена могут быть увиденный лежать в более ровной матрице. Коллаген очень мягок в жидкости, в виду того что он содержит большое количество воды.

Диаграмма 6. Прерывистое изображение режима контакта в жидкости (10 x 10 микронов) коллаген-покрынного фильма силикона. Попробуйте учтивость M.J.B. Wissink, Университета Twente, Нидерланды.

На более малых изображениях, детали структуры D-Кольцевания можно увидеть. Изображения Высоты, амплитуды и участка такого же образца показаны в Диаграмме 7 для более малой зоны развертки (2 x 2 микрона). D-Кольцевание можно увидеть в всех 3 изображениях для волокон коллагена, которые лежат раскосно через матрицу изображения на заднем плане. Хотя весь слой коллагена очень мягок, кольцевание 67 nm можно увидеть ясно.

Диаграмма 7. развертка режима контакта 2 x 2 микронов прерывистая collagencoated силикона в буфере (учтивости образца M.J.B. Wissink, Университет Twente, Нидерланды).

Выровнянные Слои Коллагена и Сразу Рост Клетки

Молекулы Коллагена можно собрать и адсорбировать на поддержки слюды для того чтобы покрыть поверхность равномерно в тонком (~ 3 nm) плоском слое. Вокруг 5 индивидуальных молекул коллагена связывают microfibrils формы, с боковым размером вокруг 3-5 nm. Монослой этих microfibrils можно после этого адсорбировать к поверхности для того чтобы сформировать nanostructured, биологически активную поверхность. Эти microfibrils также правоподобны для того чтобы быть промежуточным этапом в образовании более больших волокон коллагена увиденных в естественной ткани.

Первый уровень организации выровнять волоконца коллагена так, что будет общая ориентация в поверхностном слое, которого можно достигнуть через адсорбировать под условиями гидродинамической подачи. В Пределах некоторого времени после низложения, ориентацию можно также манипулировать используя подсказку AFM. На Диаграмму 8 показано изображение высоты режима контакта 750 x 750 nm прерывистое незафиксированного коллагена в буфере (z-ряде 5,5 nm). Образец учтивость A. Taubenberger, группы Машин D.J. Müller Клетчат, Технического Университета Дрездена. Волокна все ориентированы в таком же направлении, и D-Повторение 67 nm можно увидеть на индивидуальных волокнах. В этот случай никакое широкомасштабное выравнивание D-Повторения между смежными волоконцами.

Диаграмма 8. Прерывистое изображение режима контакта незафиксированного коллагена в буфере (750 x 750 nm, z-ряд 5,5 nm). Попробуйте учтивость A. Taubenberger, Машин группы D.J. Müller Клетчат, TU Дрездена.

Более последующего уровня организации можно достигнуть если кольцевание Drepeat microfibrils коллагена также выровняно, то как в естественной ткани. Выравнивание или неприсоединение D-Повторений чувствительны к ионному составу буфера низложения, и выравнивание увидено в разрешениях передразнивая цитоплазменные или внеклеточные окружающие среды eukaryotic клеток. В высоте и вертикальных изображениях отклонения показанных в Диаграмме 9, были депозированы молекулы так, что будет общее выравнивание диапазонов Drepeat смежных волоконец коллагена. Изображения в Диаграмме 10 учтивость A. Taubenberger, Машин группы D.J. Müller Клетчат, TU Дрездена. В этом образце, коллаген вполне не покрывает поверхность и зазоры можно увидеть где стеклянная поверхность видима внизу.

Диаграмма 9. Выровнянные незафиксированные волоконца коллагена в жидкости. Учтивость Изображений A. Taubenberger, D.J. Müller Клетчат Подвергает группу механической обработке, TU Дрезден.

Эти поверхности имеют некоторые из nanostructural свойств естественных волокон коллагена, положенных вниз как тонкое покрытие. Выравнивание D-Повторений также производит bioactive поверхность. Не выравниваемые клетки Фиброцита культивируемые на коллагене где волоконца ориентированы, но, не показывают никакую определенную ориентацию их направления формы или роста. Когда Drepeats также выровняно, однако, фиброциты показывают сильно ориентированный motility вдоль направления оси, и имеют вытянутую форму в этом направлении. Текстура поверхности причиненной широкомасштабной ориентацией волоконец самостоятельно не была достаточна для того чтобы контролировать motility клетки, и это предлагает биологическую функцию для выравнивания D-Диапазона в направляя росте клетки.

Заключения

AFM мощный инструмент для наблюдать уровнями выравнивания и организации в структурах коллагена. Естественные структуры коллагена, изолированные волоконца и биоматериалы романа можно все изучить под физиологопсихологическими условиями. Эти измерения могут осветить основные биологические вопросы, так же, как испытывают новые biocompatible или специфически bioactive смеси.

Источник: Аппаратуры JPK

Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Аппаратуры JPK

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

Last Update: 13. June 2013 21:23

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit