观察对准线和组织的级别在胶原结构使用基本强制显微学由 JPK 仪器

包括的事宜

胶原结构和功能
自然被形成的胶原组织
存款胶原原纤维 - 骨细胞研究的基体
在自然骨头内的胶原结构
植入管的存款胶原影片
对齐的胶原层和处理的细胞增长
结论

胶原结构和功能

胶原是在人体的最丰富的蛋白质,占大约 30% 蛋白质的总计大小。 胶原是结构上的技术支持在这个机体的多数组织作为这个细胞外矩阵,并且在结缔组织上是特别丰富的。 皮肤,例如,是大约 75% 胶原,因此,并且胶原有在许多进程的重要作用例如创伤愈合。 胶原生产或成矿是为软骨的形成的基本类型,腱或者骨头。 在这个机体的所有其他组织的细胞由更加细致的胶原结构也包围通过这个细胞外矩阵,因此胶原也有重要作用在细胞增殖、迁移和分化。

胶原是大约 20 涉及的蛋白质系列,通过绞在彼此附近的三个多缩氨基酸链子形成三次螺旋在一个象绳索的结构。 这些三次被中断的毫微米尺寸 protofibrils 可能一起束缚形成高水平结构的不同的类型。 第一类型胶原形成的坚韧胶原纤维产生腱或韧带他们的高强度力量,但是胶原的其他类型形成在这个细胞外矩阵的更小,或者更多分支的结构。 胶原在这个结构介入或许多组织的功能,那么那里是许多疾病与胶原故障相关。 原始缺陷叫影响类型 IV 胶原,例如,汗腺卷曲的排汗部份的原因故障的 Alport 综合症状在肾脏,以及眼睛和耳朵问题的和一般导致肾衰竭。

第一类型胶原原纤维结构在表 1. 概要地速写。 三个多缩氨基酸链子一起绞形成一个僵硬的螺线结构。 这些胶原分子沿螺旋轴和组然后对齐作为捆绑形成胶原原纤维。 这些胶原原纤维可能侧向地也对齐形成在高次的捆绑结构和组成在韧带找到的坚韧微米尺寸胶原纤维。 胶原原纤维的一种性能特征是他们的被结合的结构。 这种原纤维的直径沿长度轻微更改,与近似 67nm 高度再现 D 范围重复。

图 1. 简图类型我胶原原纤维结构。 螺线胶原分子从三个多缩氨基酸链子形成,并且这些侧向地联合形成与特性被结合的结构的胶原原纤维。

除其在这个机体的自然功能外,胶原也用于技术,并且医疗应用作为细胞培养的模型生理表面,种入 biocompatibility 和处理的细胞增长。

自然被形成的胶原组织

经典之作被结合的原纤维结构在连接线条胶原能明显地被看到,展示高度结构和规律性可能在胶原纤维。 图 2 显示高度和垂直的连接线条胶原纤维的偏折图象,一 2 x 2 微米扫描区的。 在此图象,许多纤维是在互相平行,虽然一些在更低的左手角落克服。 下面这个短剖面的图象显示沿中央纤维轴的一个部分。 红色标记分开是 1345 毫微米,对应于 20 D 范围重复。 这产生此范例的一个值 67.3 毫微米在重复期间。 在重复期间上的变化由于多种变化可以是重要准确地评定。

在连接线条胶原范例的图 2. 高度和垂直的一 2 x 2 微米扫描区的偏折图象。 这个横断面显示 D 条带的 20 重复标记用红线,产生和平均期间的 67.3 毫微米。

图 3 显示同一个范例的更小的 (600 x 600 毫微米) 区扫描,再高度和垂直的偏折信号,显示是可视的高次结构。 在高通被过滤的它取消纤维的背景曲度后,第三个图象是高度扫描的一部分。 这更加清楚显示更小的功能,并且这个短剖面图象显示小的结构的间隔在表面的。 因为取消了,这个横断面的高度缩放比例不是绝对的背景纤维曲度。 功能的侧向范围是大约 7 毫微米。 示例功能标记用与分隔的红线 6.7 毫微米。

图 3. 高度和垂直的汇率胶原原纤维的一 600 x 600 毫微米区的偏折图象。 除横向条带以外,也有结构可视在纤维间,如这个低部的横断面所显示。

存款胶原原纤维 - 骨细胞研究的基体

从一个迟钝的腱范例的查出的胶原原纤维 (存款在 APTES 上漆的玻璃的低密度) 在表 4. 显示。 图象是 M. Horton 教授礼貌,骨头和伦敦大学学院的矿物中心和纳米技术伦敦中心。 光学图象 (顶层) 显示悬臂式的 AFM 和更大的胶原原纤维使用光学阶段对比也是可视的。 二个大 AFM 图象显示高度和垂直的偏折信号一 100 x 100 微米扫描区的。 大多原纤维形成平稳弯曲结构。 更小的 (5 x 5 微米) 扫描也显示作为 3D 高度图象,原纤维周期能被看到。

在 APTES 玻璃的图 4. 迟钝的腱胶原原纤维, M. Horton 教授镜象,骨头和矿物中心 UCL 和伦敦为纳米技术集中。 光学阶段对比 (顶层), 100 x 100 微米扫描区高度和偏折 AFM 图象 (中心) 和 5 个 x 5 个微米 3D 高度图象 (底层)。

在自然骨头内的胶原结构

尽管骨头的表面上稳定性,在一个生存人的概要的骨头经常实际上被改造。 Osteoblasts 和 osteoclasts 是对骨头的形成和吸回负责的细胞,并且他们一起维护在健康成人的概要的动态平衡。 胶原有在这些进程的重要作用,因为它形成骨头结构上的蛋白质结构,并且有在发信号的作用在 osteoblasts 和 osteoclasts 之间。

图 5 显示的片式的 AFM 图象取消胶原和矿物的 osteoclasts 显示了骨头胶原结构表皮骨头。 与清楚的 D 条带的侧向地被关联的胶原纤维在地势和错误图象被看见。 osteocyte 空白在骨头内被看到 (圈状)。 Bozec 和 Horton 镜象, UCL 和伦敦为纳米技术集中。 上面的 AFM 图象显示与一个 521 毫微米 z 范围高度图象的和一 300 mV zrange 的一 4 x 4 微米区偏折图象的。 这个更低的图象显示三维高度投影缩放到 osteocyte 空白、胶原删除形成的吸回坑和矿物。 使用 AFM,原纤维排列、周期和直径可以统计上被评定,产生这个可能性健康或害病的组织之间的研究细微的区别。

图 5. 骨头 osteoclasts 显示的胶原结构取消胶原和矿物从片式表皮骨头。 Bozec 和 Horton 镜象, UCL 和伦敦为南技术集中。 4 x 4 微米两个大 AFM 图象的 (521 个毫微米 z 范围高度, 300mV z 范围偏折图象) 扫描区。 三维高度投影缩放到 osteocyte 空白里。

植入管的存款胶原影片

多种方法被开发存款胶原在材料上形成生物适合的表面,或者处理的细胞增长的。 胶原可以被吸附相对地直接到表面例如玻璃,但是稳定地附有胶原合成材料例如硅树脂是更难的。 这些综合结构可以用于促进愈合的创伤和改进材料的 biocompatibility 植入管的,特殊血管贪污。 被交互相联的胶原可以对待与分子例如肝素减少血栓形成启动或者成纤维细胞增长因子促进内皮细胞的细胞种子。

图象在表 6 显示胶原上漆的硅树脂影片 (M.J.B. Wissink, Twente,荷兰的大学抽样礼貌范例 10 x 10 微米概览)。 这个范例是印象的在磷酸缓冲的 (PBS)食盐水下 (断断续续的联系模式的高度和高度图象在液体)。 更大的胶原原纤维可以是被看到的在一个更加平稳的矩阵。 因为它包含水的一个高比例,胶原是非常软在液体。

图 6. 在液体的断断续续的联系模式图象 (10 x 10 微米) 一部胶原上漆的硅树脂影片。 抽样 M.J.B. Wissink, Twente,荷兰大学礼貌。

在更小的图象, D 条带结构的详细资料能被看到。 同一个范例的高度、高度和阶段图象在一更小的扫描区的表 7 显示 (2 x 2 微米)。 D 条带在所有三个图象能被看见为胶原纤维,在背景矩阵的图象间在对角地。 虽然全部的胶原层是非常虚拟, 67 毫微米条带能明显地被看见。

图 7. 2 x 2 collagencoated 硅树脂微米断断续续的联系模式扫描在缓冲 (M.J.B 范例礼貌的。 Wissink, Twente,荷兰的大学)。

对齐的胶原层和处理的细胞增长

胶原分子在一块稀薄的 (~ 3 毫微米) 平面的层可以被装配和被吸附在云母技术支持上均匀地涂上表面。 大约五个各自的胶原分子关联表单 microfibrils,一个侧向范围的大约 3-5 毫微米。 这些 microfibrils 单层可能然后被吸附到表面形成 nanostructured,生物有效的表面。 这些 microfibrils 也是可能的是在自然组织看见的更大的胶原纤维的形成的一个半成品阶段。

组织的第一个级别是对齐胶原原纤维,以便有在表层的一个整体取向,可以通过吸附达到在水力流的情况下。 使用 AFM 技巧,在有些时间内在证言以后,这个取向可能也被操作。 图 8 在缓冲 (z 范围 5.5 毫微米) 显示被不固定的胶原的一个 750 x 750 毫微米断断续续的联系模式高度图象。 这个范例是 A. Taubenberger, D.J. Mullerr Cellular 设备组,技术大学德累斯顿礼貌。 纤维全部在同一个方向被安置,并且 67 毫微米 D 重复在各自的纤维能被看到。 在这种情况下没有 D 重复的大规模对准线在相邻原纤维之间的。

图 8. 被不固定的胶原断断续续的联系模式图象在缓冲 (750 x 750 毫微米, z 范围 5.5 毫微米) 的。 抽样 A. Taubenberger, D.J. Mullerr Cellular 设备组, TU 德累斯顿礼貌。

组织的一个进一步级别在自然组织可以达到,如果胶原 microfibrils 的 Drepeat 条带也对齐。 D 重复的对准线或不结盟对证言缓冲的离子构成是敏感的,并且对准线在仿造真核状态的细胞的细胞质或细胞外环境的解决方法被看到。 在图和垂直的偏折图象显示的高度 9 上,分子存款,以便有相邻胶原原纤维 Drepeat 范围的整体对准线。 图象在表 10 是 A. Taubenberger, D.J. Mullerr Cellular 设备组, TU 德累斯顿礼貌。 在此范例,胶原不完全地报道表面,并且空白能被看到玻璃表面在下的地方是可视的。

图 9. 在液体的对齐的被不固定的胶原原纤维。 A. Taubenberger, D.J. Mullerr Cellular 镜象用机器制造组, TU 德累斯顿。

这些表面有某些自然胶原纤维 nanostructural 属性,被制定作为稀薄的涂层。 D 重复的对准线也导致生物活性的表面。 培养在原纤维被安置的胶原,但是没对齐的成纤维细胞细胞,不显示他们的形状或增长方向的特殊取向。 当 Drepeats 也对齐,然而时,成纤维细胞显示沿轴方向的高度针对的能动性,并且有瘦长的形状在此方向。 单独原纤维的大规模取向造成的表面的纹理不是满足控制细胞能动性,并且这建议 D 范围对准线的一个生物功能在引导的细胞增长。

结论

AFM 是为观察对准线和组织的级别的一个强大的工具在胶原结构。 自然胶原结构、查出的原纤维和小说生物材料可能所有在生理情况下被学习。 这些评定可能阐明根本生物问题,以及测试新的生物适合或特别地生物活性的综合。

来源: JPK 仪器

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

Last Update: 13. June 2013 20:46

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