觀察對準線和組織的級別在膠原結構使用基本強制顯微學由 JPK 儀器

包括的事宜

膠原結構和功能
自然被形成的膠原組織
存款膠原原纖維 - 骨細胞研究的基體
在自然骨頭內的膠原結構
植入管的存款膠原影片
對齊的膠原層和處理的細胞增長
結論

膠原結構和功能

膠原是在人體的最豐富的蛋白質,佔大約 30% 蛋白質的總計大小。 膠原是結構上的技術支持在這個機體的多數組織作為這個細胞外矩陣,并且在結締組織上是特別豐富的。 皮膚,例如,是大約 75% 膠原,因此,并且膠原有在許多進程的重要作用例如創傷癒合。 膠原生產或成礦是為軟骨的形成的基本類型,腱或者骨頭。 在這個機體的所有其他組織的細胞由更加細致的膠原結構也包圍通過這個細胞外矩陣,因此膠原也有重要作用在細胞增殖、遷移和分化。

膠原是大約 20 涉及的蛋白質系列,通過絞在彼此附近的三個多縮氨基酸鏈子形成三次螺旋在一個像繩索的結構。 這些三次被中斷的毫微米尺寸 protofibrils 可能一起束縛形成高水平結構的不同的類型。 第一類型膠原形成的堅韌膠原纖維產生腱或韌帶他們的高強度力量,但是膠原的其他類型形成在這個細胞外矩陣的更小,或者更多分支的結構。 膠原在這個結構介入或許多組織的功能,那麼那裡是許多疾病與膠原故障相關。 原始缺陷叫影響類型 IV 膠原,例如,汗腺捲曲的排汗部份的原因故障的 Alport 綜合症狀在腎臟,以及眼睛和耳朵問題的和一般導致腎衰竭。

第一類型膠原原纖維結構在表 1. 概要地速寫。 三個多縮氨基酸鏈子一起絞形成一個僵硬的螺線結構。 這些膠原分子沿螺旋軸和組然後對齊作為捆綁形成膠原原纖維。 這些膠原原纖維可能側向地也對齊形成在高次的捆綁結構和組成在韌帶找到的堅韌微米尺寸膠原纖維。 膠原原纖維的一種性能特徵是他們的被結合的結構。 這種原纖維的直徑沿長度輕微更改,與近似 67nm 高度再現 D 範圍重複。

圖 1. 簡圖類型我膠原原纖維結構。 螺線膠原分子從三個多縮氨基酸鏈子形成,并且這些側向地聯合形成與特性被結合的結構的膠原原纖維。

除其在這個機體的自然功能外,膠原也用於技術,并且醫療應用作為細胞培養的模型生理表面,種入 biocompatibility 和處理的細胞增長。

自然被形成的膠原組織

經典之作被結合的原纖維結構在連接線條膠原能明顯地被看到,展示高度結構和規律性可能在膠原纖維。 圖 2 顯示高度和垂直的連接線條膠原纖維的偏折圖像,一 2 x 2 微米掃描區的。 在此圖像,許多纖維是在互相平行,雖然一些在更低的左手角落克服。 下面這個短剖面的圖像顯示沿中央纖維軸的一個部分。 紅色標記分開是 1345 毫微米,對應於 20 D 範圍重複。 這產生此範例的一個值 67.3 毫微米在重複期間。 在重複期間上的變化由於多種變化可以是重要準確地評定。

在連接線條膠原範例的圖 2. 高度和垂直的一 2 x 2 微米掃描區的偏折圖像。 這個橫斷面顯示 D 條帶的 20 重複標記用紅線,產生和平均期間的 67.3 毫微米。

圖 3 顯示同一個範例的更小的 (600 x 600 毫微米) 區掃描,再高度和垂直的偏折信號,顯示是可視的高次結構。 在高通被過濾的它取消纖維的背景曲度後,第三個圖像是高度掃描的一部分。 這更加清楚顯示更小的功能,并且這個短剖面圖像顯示小的結構的間隔在表面的。 因為取消了,這個橫斷面的高度縮放比例不是绝對的背景纖維曲度。 功能的側向範圍是大約 7 毫微米。 示例功能標記用與分隔的紅線 6.7 毫微米。

圖 3. 高度和垂直的匯率膠原原纖維的一 600 x 600 毫微米區的偏折圖像。 除橫向條帶以外,也有結構可視在纖維間,如這個低部的橫斷面所顯示。

存款膠原原纖維 - 骨細胞研究的基體

從一個遲鈍的腱範例的查出的膠原原纖維 (存款在 APTES 上漆的玻璃的低密度) 在表 4. 顯示。 圖像是 M. Horton 教授禮貌,骨頭和倫敦大學學院的礦物中心和納米技術倫敦中心。 光學圖像 (頂層) 顯示懸臂式的 AFM 和更大的膠原原纖維使用光學階段對比也是可視的。 二個大 AFM 圖像顯示高度和垂直的偏折信號一 100 x 100 微米掃描區的。 大多原纖維形成平穩彎曲結構。 更小的 (5 x 5 微米) 掃描也顯示作為 3D 高度圖像,原纖維週期能被看到。

在 APTES 玻璃的圖 4. 遲鈍的腱膠原原纖維, M. Horton 教授鏡像,骨頭和礦物中心 UCL 和倫敦為納米技術集中。 光學階段對比 (頂層), 100 x 100 微米掃描區高度和偏折 AFM 圖像 (中心) 和 5 个 x 5 个微米 3D 高度圖像 (底層)。

在自然骨頭內的膠原結構

儘管骨頭的表面上穩定性,在一個生存人的概要的骨頭經常實際上被改造。 Osteoblasts 和 osteoclasts 是對骨頭的形成和吸回負責的細胞,并且他們一起維護在健康成人的概要的動態平衡。 膠原有在這些進程的重要作用,因為它形成骨頭結構上的蛋白質結構,並且有在發信號的作用在 osteoblasts 和 osteoclasts 之間。

圖 5 顯示的片式的 AFM 圖像取消膠原和礦物的 osteoclasts 顯示了骨頭膠原結構表皮骨頭。 與清楚的 D 條帶的側向地被關聯的膠原纖維在地勢和錯誤圖像被看見。 osteocyte 空白在骨頭內被看到 (圈狀)。 Bozec 和 Horton 鏡像, UCL 和倫敦為納米技術集中。 上面的 AFM 圖像顯示與一個 521 毫微米 z 範圍高度圖像的和一 300 mV zrange 的一 4 x 4 微米區偏折圖像的。 這個更低的圖像顯示三維高度投影縮放到 osteocyte 空白、膠原刪除形成的吸回坑和礦物。 使用 AFM,原纖維排列、週期和直徑可以統計上被評定,產生這個可能性健康或害病的組織之間的研究細微的區別。

圖 5. 骨頭 osteoclasts 顯示的膠原結構取消膠原和礦物從片式表皮骨頭。 Bozec 和 Horton 鏡像, UCL 和倫敦為南技術集中。 4 x 4 微米兩個大 AFM 圖像的 (521 個毫微米 z 範圍高度, 300mV z 範圍偏折圖像) 掃描區。 三維高度投影縮放到 osteocyte 空白裡。

植入管的存款膠原影片

多種方法被開發存款膠原在材料上形成生物適合的表面,或者處理的細胞增長的。 膠原可以被吸附相對地直接到表面例如玻璃,但是穩定地附有膠原合成材料例如硅樹脂是更難的。 這些种綜合結構可以用於促進癒合的創傷和改進材料的 biocompatibility 植入管的,特殊血管貪汙。 被交互相聯的膠原可以對待與分子例如肝素減少血栓形成啟動或者成纖維細胞增長因子促進內皮細胞的細胞種子。

圖像在表 6 顯示膠原上漆的硅樹脂影片 (M.J.B. Wissink, Twente,荷蘭的大學抽樣禮貌範例 10 x 10 微米概覽)。 這個範例是印象的在磷酸緩衝的 (PBS)食鹽水下 (斷斷續續的聯繫模式的高度和高度圖像在液體)。 更大的膠原原纖維可以是被看到的在一個更加平穩的矩陣。 因為它包含水的一個高比例,膠原是非常軟在液體。

圖 6. 在液體的斷斷續續的聯繫模式圖像 (10 x 10 微米) 一部膠原上漆的硅樹脂影片。 抽樣 M.J.B. Wissink, Twente,荷蘭大學禮貌。

在更小的圖像, D 條帶結構的詳細資料能被看到。 同一個範例的高度、高度和階段圖像在一更小的掃描區的表 7 顯示 (2 x 2 微米)。 D 條帶在所有三個圖像能被看見為膠原纖維,在背景矩陣的圖像間在對角地。 雖然全部的膠原層是非常虛擬, 67 毫微米條帶能明顯地被看見。

圖 7. 2 x 2 collagencoated 硅樹脂微米斷斷續續的聯繫模式掃描在緩衝 (M.J.B 範例禮貌的。 Wissink, Twente,荷蘭的大學)。

對齊的膠原層和處理的細胞增長

膠原分子在一塊稀薄的 (~ 3 毫微米) 平面的層可以被裝配和被吸附在雲母技術支持上均勻地塗上表面。 大約五個各自的膠原分子關聯表單 microfibrils,一個側向範圍的大約 3-5 毫微米。 這些 microfibrils 單層可能然後被吸附到表面形成 nanostructured,生物有效的表面。 這些 microfibrils 也是可能的是在自然組織看見的更大的膠原纖維的形成的一個半成品階段。

組織的第一個級別是對齊膠原原纖維,以便有在表層的一個整體取向,可以通過吸附達到在水力流的情況下。 使用 AFM 技巧,在有些時間內在證言以後,這個取向可能也被操作。 圖 8 在緩衝 (z 範圍 5.5 毫微米) 顯示被不固定的膠原的一個 750 x 750 毫微米斷斷續續的聯繫模式高度圖像。 這個範例是 A. Taubenberger, D.J. Mullerr Cellular 設備組,技術大學德累斯頓禮貌。 纖維全部在同一個方向被安置,并且 67 毫微米 D 重複在各自的纖維能被看到。 在這種情況下沒有 D 重複的大規模對準線在相鄰原纖維之間的。

圖 8. 被不固定的膠原斷斷續續的聯繫模式圖像在緩衝 (750 x 750 毫微米, z 範圍 5.5 毫微米) 的。 抽樣 A. Taubenberger, D.J. Mullerr Cellular 設備組, TU 德累斯頓禮貌。

組織的一個進一步級別在自然組織可以達到,如果膠原 microfibrils 的 Drepeat 條帶也對齊。 D 重複的對準線或不結盟對證言緩衝的離子構成是敏感的,并且對準線在仿造真核狀態的細胞的細胞質或細胞外環境的解決方法被看到。 在圖和垂直的偏折圖像顯示的高度 9 上,分子存款,以便有相鄰膠原原纖維 Drepeat 範圍的整體對準線。 圖像在表 10 是 A. Taubenberger, D.J. Mullerr Cellular 設備組, TU 德累斯頓禮貌。 在此範例,膠原不完全地報道表面,并且空白能被看到玻璃表面在下的地方是可視的。

圖 9. 在液體的對齊的被不固定的膠原原纖維。 A. Taubenberger, D.J. Mullerr Cellular 鏡像用機器製造組, TU 德累斯頓。

這些表面有某些自然膠原纖維 nanostructural 屬性,被制定作為稀薄的塗層。 D 重複的對準線也導致生物活性的表面。 培養在原纖維被安置的膠原,但是沒對齊的成纖維細胞細胞,不顯示他們的形狀或增長方向的特殊取向。 當 Drepeats 也對齊,然而時,成纖維細胞顯示沿軸方向的高度針對的能動性,并且有瘦長的形狀在此方向。 單獨原纖維的大規模取向造成的表面的紋理不是滿足控制細胞能動性,并且這建議 D 範圍對準線的一個生物功能在引導的細胞增長。

結論

AFM 是為觀察對準線和組織的級別的一個強大的工具在膠原結構。 自然膠原結構、查出的原纖維和小說生物材料可能所有在生理情況下被學習。 這些評定可能闡明根本生物問題,以及測試新的生物適合或特別地生物活性的綜合。

來源: JPK 儀器

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

Last Update: 13. June 2013 20:49

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