Mechanotransduction in living cells measured by integrated atomic force and confocal microscopy

Mechanotransductie is een celbiologisch proces die een belangrijke rol speelt binnen de regeneratieve geneeskunde (bijv. implantaat aanhechting), kanker metastasering en immunologische ontstekingsreacties. Mechanotransductie is betrokken bij vier gekoppelde processen: het voelen van de mechanische stimulus, signaal overdracht, de reactie van de geprikkelde cel, en uiteindelijk een verandering van de contactplek. Tijdens deze processen is er een belangrijke rol voor diverse cel adhesie receptoren die via homotypische en/of heterotypische eiwit-eiwit alsmede eiwit-suiker interacties krachten uitoefenen op de cel. Tot nu toe zijn de moleculaire mechanismen binnen de cel nog nauwelijks bekend die ervoor zorgen dat mechanische contacten uitgeoefend door de micro-omgeving van de cel of door andere cellen worden gevoeld.
Het is nu mogelijk om dit type studies te doen dankzij de ontwikkeling van een microscoop die atomic force microscopie (AFM) combineert met confocaal microscopie. Deze ultra-gevoelige AFM-confocaal microscoop kan met hoge plaats-en-tijd resolutie mechanische krachten meten en in kaart brengen op enkele levende cellen. Terwijl op hetzelfde moment downstream signalen in de cel kunnen worden waargenomen en gekwantificeerd door gebruik te maken van fluorescent-gelabelde eiwitten. Het aangevraagde microscopie platform zal het ons mogelijk maken om studies naar mechanotransductie te doen op verschillende levels: cel-cel interacties, cel-matrix interacties en door kracht geïnduceerde cel signalering, die drie vormen een samenhangend geheel opgedeeld in 3 hoofddoelen.
Hoofddoel 1: Cel-cel interacties. Het doel is om te onderzoeken hoe mechanische krachten tussen twee cellen, dan wel cel-ziektekiem of cel-cel, zullen resulteren in signaal overdracht binnen de cel in relatie tot receptor-ligand interacties. Een AFM cantilever met daaraan vast een ziektekiem (bijv. schimmel, bacterie) of levende cel zal in contact worden gebracht met een cel gehecht aan het substraat. Door op gecontroleerde wijze kracht uit te oefenen, willen we mechanotransductie bestuderen door real-time de dynamische bewegingen te volgen van fluorescent-gelabelde receptoren en signaalmoleculen.
Hoofddoel 2: Cel-matrix interacties. Hier ligt de focus op het effect van krachten uitgeoefend door de extracellulaire matrix (ECM) op migrerende tumorcellen of krachten uitgeoefend op het contactoppervlak van weefsels en implantaten. AFM cantilevers met een cel of met ECM componenten zullen gebruikt worden om kracht uit te oefenen op verschillende samples, terwijl lokale processen in de cel worden bekeken.
Hoofddoel 3: Kracht-geïnduceerde signalering. Hiervoor zullen AFM tips gebruikt worden om lokaal druk uit te oefenen cellen. Verder, zullen chemisch gefunctionaliseerde tips worden gebruikt om naar specifieke receptor-ligand paren te kijken. De daar uit voortvloeiende respons van de cel op deze mechanische stimuli door de AFM tip zal met confocaal microscoop worden gevolgd.

De gecombineerde AFM-confocaal microscoop zal deel uit gaan maken van het Microscopisch Imaging Centrum (MIC) van het Radboud UMC. Het MIC heeft uitgebreide ervaring en uitstekende nationale en internationale reputatie in het onderhouden en innoveren van geavanceerde microscopie. Wat er voor zorg draagt dat de aangevraagde apparatuur succesvol ingepast zal worden en verder ontwikkeld voor de toekomst. Studies op de processen van invasieve kanker, immuun cel dynamica en regeneratieve geneeskunde zal daardoor toegankelijk zijn voor onderzoekers binnen het Radboud Institute for Molecular Life Sciences (RIMLS) maar ook voor samenwerkingspartners binnen Nijmegen, Nederland en de rest van de wereld.