Ansichten: 222 Autor: Leah Veröffentlichung Zeit: 2025-02-13 Herkunft: Website
Inhaltsmenü
● Design und Funktion von Vinculin -Spannungssensoren
>> Arten von Vinculin -Spannungssensoren
>> Kalibrierung und Quantifizierung
● Vorteile und Einschränkungen
>> Vorteile
● Anwendungen in der biomedizinischen Forschung
>> Neuronale Mechanotransduktion
>> Wundheilung
● Häufig gestellte Fragen (FAQs)
>> 1. Was ist ein Vinculin -Spannungssensor?
>> 2. Wie funktioniert ein Vinculin -Spannungssensor?
>> 3. Was sind die Vorteile der Verwendung von Vinculin -Spannungssensoren?
>> 4. Was sind die Grenzen von Vinculin -Spannungssensoren?
● Zitate:
Zellen sind kontinuierlich einer Vielzahl von mechanischen Kräften ausgesetzt, die eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des zellulären Verhaltens und der Funktion spielen. Diese mechanischen Hinweise können Prozesse wie Zelladhäsion, Migration, Differenzierung und Proliferation beeinflussen. Das Verständnis, wie Zellen auf diese Kräfte spüren und reagieren, ist wichtig, um verschiedene biologische Prozesse zu verstehen und neue therapeutische Strategien zu entwickeln [2] [5]. Vinculin, ein allgegenwärtiges Zytoskelett -Protein, spielt eine zentrale Rolle bei der Mechanotransduktion, indem sie Integrine mit dem Actin -Zytoskelett bei fokalen Adhäsionen (FAS) verknüpfen. Fokale Adhäsionen sind dynamische Proteinkomplexe, die zell-extrazelluläre Matrix-Wechselwirkungen (ECM) vermitteln und als mechanische Anker dienen, sodass die Zellen externe Kräfte erfassen und reagieren können [1] [2].
Vinculinspannungssensoren sind leistungsstarke Werkzeuge, mit denen Forscher die mechanischen Kräfte, die von Vinculinmolekülen in Zellen erlebt werden, direkt messen können. Diese Sensoren basieren auf Förster Resonance Energy Transfer (FRET), einem Phänomen, bei dem Energie zwischen zwei fluoreszierenden Proteinen (FPS) übertragen wird, wenn sie in unmittelbarer Nähe sind [1] [9]. Indem Forscher einen flexiblen Linker zwischen den Vinculin -Kopf- und Schwanzdomänen einfügen und ihn mit FPS flankieren, können Forscher einen Sensor erstellen, der seine Bühneneffizienz als Reaktion auf Spannung ändert [1]. Wenn Vinculin unter Spannung steht, werden die FPS auseinander gezogen, wodurch die Effizienz des Bund verringert wird. Umgekehrt sind die FPS näher bei Vinculin, wenn Vinculin unter geringer Spannung steht, was zu einer höheren FRET -Effizienz führt [1].
In diesem Artikel wird die Entwurf, Funktion und Anwendung von Vinculin -Spannungssensoren in der biomedizinischen Forschung untersucht. Wir befassen uns mit der Funktionsweise dieser Sensoren, ihrer Vorteile und Einschränkungen und ihrer Verwendung beim Verständnis der Mechanotransduktion in verschiedenen biologischen Kontexten. Darüber hinaus werden wir häufig gestellte Fragen (FAQs) beantworten, um einen umfassenden Überblick über diese Technologie zu bieten.
Vinculin -Spannungssensoren sind so ausgelegt, dass Vinculin, ein Schlüsselprotein in fokalen Adhäsionen, die mechanische Spannung misst. Diese Sensoren bestehen typischerweise aus den folgenden Komponenten [1] [2]:
- Vinculin -Kopf- und Schwanzdomänen: Der Sensor enthält die Kopf- und Schwanzdomänen des Vinculin -Proteins, die für seine Funktion bei der Mechanotransduktion unerlässlich sind [1].
- FRET -Modul: Ein flexibler Linker, häufig ein elastisches Polypeptid, wird zwischen Kopf- und Schwanzdomänen eingefügt. Dieser Linker wird von zwei fluoreszierenden Proteinen (FPS), einem Spender und einem Akzeptor flankiert, der die Förster -Resonanzenergieübertragung (Bund) [1] [9] ermöglicht.
- Fluoreszierende Proteine (FPS): Zu den verwendeten FPS gehören Cyan -Fluoreszenzprotein (CFP) und gelbes fluoreszierendes Protein (YFP) oder fortgeschrittenere Paare wie Clover und MRUBY2, die verbesserte photophysikalische Eigenschaften liefern [2].
Der Vinculin -Spannungssensor ist basierend auf dem Prinzip der Förster Resonance Energy Transfer (FRET). Bund ist ein Prozess, bei dem Energie von einem Spenderfluorophor auf einen Akzeptorfluorophor übertragen wird, wenn sie in unmittelbarer Nähe sind. Die Effizienz von FRET hängt stark vom Abstand zwischen Spender und Akzeptor ab [1] [9].
1. hohe Spannung: Wenn Vinculin unter Spannung steht, führt die auf den Sensor angewendete Kraft den Abstand zwischen Spender und Akzeptor -FPS zu. Dieser erhöhte Abstand verringert die Effizienz von Bund, was zu einem niedrigeren Bund -Signal führt [1].
2. Niedrige Spannung: Umgekehrt sind die Spender- und Akzeptor -FPS, wenn Vinculin unter geringer Spannung steht, näher. Diese Nähe erhöht die Effizienz von Bund, was zu einem höheren Bund -Signal führt [1].
Es wurden verschiedene Arten von Vinculin -Spannungssensoren entwickelt, um die Leistung und Empfindlichkeit zu optimieren. Dazu gehören:
. Es weist unter hoher Spannung und hohem FET -Effizienz unter geringer Spannung einen niedrigen Bund -Effizienz auf [1].
. Es dient als Kontrolle für spannungsunabhängige Bundesänderungen [1].
-OPT-VINTs (optimierter Vinculinspannungssensor): Dieser optimierte Sensor enthält eine erweiterbare Domäne mit neun repeat ((GGSGGS) 9), um die mechanische Empfindlichkeit zu verbessern und eine genauere Nachweis von Spannungsschwankungen über Vinculin zu ermöglichen [2].
Um das FRET -Signal aus Vinculinspannungssensoren genau zu interpretieren, sind Kalibrierung und Quantifizierung unerlässlich [2].
- In -vitro -Kalibrierung: Erste Kalibrierungen wurden durchgeführt * In -vitro *, um die Beziehung zwischen FRET -Effizienz und angewandter Kraft herzustellen. * Unter Cellulo * unterscheiden sich jedoch häufig signifikant von * in vitro * Einstellungen aufgrund von Schwankungen der Ionenstärke, des pH -Werts und der Förderungseffekte [2].
- In der Cellulo -Kalibrierung: Um die Einschränkungen von * In -vitro * -Kalibrierung anzugehen, haben sich Forscher in Cellulo * -Kalibrierungsmethoden entwickelt. Diese Methoden umfassen die Messung der mechanischen Eigenschaften der unstrukturierten Polypeptide, die in der erweiterbaren Domäne direkt in Zellen verwendet werden [2].
-modellbasierte Kalibrierung: Ein Modell für Erstprinzipien kann die mechanische TSMOD-mechanische Empfindlichkeit unter Verwendung von * in Cellulo * -Messungen der mechanischen Eigenschaften unstrukturierter Polypeptide vorhersagen, die als erweiterbare Domäne verwendet werden. Dieses Modell hilft, die Notwendigkeit von * In -vitro * -Kalibrierungen zu umgehen und Umweltfaktoren [2] zu berücksichtigen.
- FRET -Effizienzanalyse: Die Effizienz des Bund wird durch Messung des Verhältnisses der Akzeptoremission zu Spenderemission quantifiziert. Änderungen in diesem Verhältnis zeigen Veränderungen in der Spannung über Vinculin [1] [9].
Bund -Effizienz = I Akzeptor i Spender
- Normalisierung: FRET -Effizienzdaten werden häufig normalisiert, um Schwankungen der Expressionsniveaus und der Hintergrundfluoreszenz zu berücksichtigen [2].
- Direkte Messung molekularer Kräfte: Vinculinspannungssensoren bieten eine direkte Möglichkeit, die mechanischen Kräfte zu messen, die Vinculin bei fokalen Adhäsionen erlebt haben [1] [2].
- Hohe Empfindlichkeit: Optimierte Sensoren wie OPT-Vints bieten eine verbesserte Empfindlichkeit und ermöglichen den Nachweis von subtilen Veränderungen der Spannungsverteilung in Zellen [2].
-Echtzeitüberwachung: FRET-basierte Sensoren können zur Echtzeitüberwachung der Vinculinspannung in lebenden Zellen verwendet werden, wobei dynamische Informationen zu Mechanotransduktionsprozessen bereitgestellt werden [1].
.
- Vielseitigkeit: Vinculinspannungssensoren können unter verschiedenen Zelltypen und experimentellen Bedingungen verwendet werden, um die Mechanotransduktion in verschiedenen biologischen Kontexten zu untersuchen [1] [9].
- Kalibrierungsherausforderungen: Eine genaue Kalibrierung von Bund -Signalen kann aufgrund von Variationen in zellulären Umgebungen und Sensoreigenschaften eine Herausforderung sein [2].
- Umweltempfindlichkeit: Die Büheseffizienz kann durch Faktoren wie pH -Wert, Temperatur und Ionenstärke beeinflusst werden, die eine sorgfältige Kontrolle der experimentellen Bedingungen erfordern [2].
- Photobleaching: Eine längere Exposition gegenüber Anregungslicht kann zu einer Photobleichung der fluoreszierenden Proteine führen, wodurch die Signalintensität im Laufe der Zeit verringert wird [2].
- Sensorstörung: Überexpression des Spannungssensors kann möglicherweise die endogene Vinculinfunktion und die zelluläre Mechanik stören [2].
- Dateninterpretation: Die Interpretation von FRET -Daten erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung potenzieller Artefakte und Kontrollen, um genaue Schlussfolgerungen zu gewährleisten [2].
Vinculin -Spannungssensoren haben zahlreiche Anwendungen in der biomedizinischen Forschung gefunden, die in verschiedenen physiologischen und pathologischen Prozessen wertvolle Einblicke in die Mechanotransduktion liefern.
Zelladhäsion und Migration sind grundlegende Prozesse in der Entwicklung, der Wundheilung und der Krebsmetastasierung. Vinculin spielt in diesen Prozessen eine entscheidende Rolle, indem es Zell-ECM-Wechselwirkungen bei fokalen Adhäsionen vermittelt [1] [2].
- Studien: Vinculinspannungssensoren wurden verwendet, um zu untersuchen, wie mechanische Kräfte die Zelladhäsion und Migration an verschiedenen Substraten regulieren [1]. Forscher haben gezeigt, dass Zellen eine höhere Spannung auf steiferen Substraten ausüben und eine stärkere Adhäsion und eine schnellere Migration fördern [2].
- Ergebnisse: Diese Sensoren haben auch gezeigt, dass die Spannung über Vinculin mit der Montage und Vergrößerung fokaler Adhäsionen verbunden ist, während eine geringe Spannung bei Disassemblierung oder Gleitfokusadhäsionen beobachtet wird [3].
Mechanische Kräfte spielen eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung und Progression von Krebs. Tumorzellen interagieren mit der umgebenden extrazellulären Matrix- und Stromazellen und erzeugen mechanische Kräfte, die das Tumorwachstum, die Invasion und die Metastasierung beeinflussen [1].
- Studien: Vinculinspannungssensoren wurden verwendet, um das Zusammenspiel zwischen Tumorzellen und Osteozyten (Knochenzellen) in der Knochenmikroumgebung zu untersuchen [1]. Sie fanden heraus, dass Tumorzellen eine verminderte Zugkräfte und eine geringe zelluläre Motilität aufweisen, wenn sie in der Nähe von Osteozyten positioniert sind [1].
- Ergebnisse: Diese Sensoren können die Verbindung zwischen molekularen Kräften und zellulären Motilität bewerten und Einblicke in die Reaktion von Tumorzellen auf mechanische Hinweise in ihrer Mikroumgebung geben [1].
Neuronen sind stark empfindlich gegenüber mechanischen Hinweisen, die eine entscheidende Rolle bei der neuronalen Entwicklung, der Axonanleitung und der Synapsenbildung spielen. Vinculin ist für die Mechanotransduktion in Neuronen unerlässlich [9].
- Studien: Vinculinspannungssensoren wurden in primären Kulturen kortikaler Neuronen verwendet, um die Funktion von Vinculin in neuronalen Wachstumskegeln zu untersuchen [9].
- Ergebnisse: Diese Studien zeigen die Machbarkeit der Verwendung von Fläschchen zur Untersuchung der Mechanotransduktion in Neuronen und bilden eine Grundlage für das Verständnis, wie mechanische Kräfte die neuronale Entwicklung und Funktion regulieren [9].
Wundheilung ist ein komplexer Prozess, der Zellmigration, ECM -Remodellierung und Geweberegeneration umfasst. Mechanische Kräfte spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung dieser Ereignisse [2].
- Studien: Vinculin -Spannungssensoren können verwendet werden, um zu untersuchen, wie mechanische Kräfte die Fibroblastenmigration und die ECM -Abscheidung während der Wundheilung beeinflussen [2].
- Ergebnisse: Durch Messen der Spannungen über Vinculin in Fibroblasten können Forscher Einblicke in die Reaktion von Zellen auf mechanische Hinweise aus der Wundmikroumgebung erhalten und zur Reparatur der Gewebereparatur beitragen [2].
Mechanische Kräfte sind entscheidend für die Regulierung der Struktur und Funktion von Blutgefäßen. Endothelzellen, die die innere Oberfläche der Blutgefäße auskleiden, sind ständig einer Flüssigkeitsscherspannung und mechanischen Dehnung ausgesetzt [2].
- Studien: Vinculinspannungssensoren können verwendet werden, um zu untersuchen, wie Endothelzellen auf diese mechanischen Kräfte reagieren und die Gefäßumgestaltung und -krankheit beeinflussen [2].
- Ergebnisse: Diese Sensoren können Einblicke in die Rolle von Vinculin bei der Vermittlung von Endothelzelladhäsion, Migration und Barrierefunktion unter verschiedenen mechanischen Bedingungen geben [2].
Während Vinculin -Spannungssensoren unser Verständnis der Mechanotransduktion erheblich vorangetrieben haben, gibt es immer noch Möglichkeiten für die Weiterentwicklung und Anwendung.
- Verbessertes Sensordesign: Zukünftige Sensoren könnten mit verbesserter Empfindlichkeit, Dynamikbereich und Stabilität ausgelegt werden, um genauere und zuverlässigere Messungen von molekularen Kräften zu ermöglichen [2].
- Multi-Sensor-Ansätze: Kombination von Vinculinspannungssensoren mit anderen Biosensoren, wie z.
- In -vivo -Anwendungen: Die Entwicklung von Strategien zur Verwendung von Vinculin -Spannungssensoren * in vivo * würde die Untersuchung der Mechanotransduktion in physiologisch relevanteren Kontexten ermöglichen [2].
-Hochdurchsatz-Screening: Die Anpassung der Vinculinspannungssensor-Technologie für das Hochdurchsatz-Screening kann die Entdeckung neuer Arzneimittel erleichtern, die die Mechanotransduktionswege modulieren [2].
Vinculin -Spannungssensoren sind wertvolle Werkzeuge, um die mechanischen Kräfte, die Vinculin in den Zellen erleben, direkt zu messen. Diese Sensoren haben in verschiedenen biologischen Prozessen, einschließlich Zelladhäsion, Migration, Krebsbiologie, neuronaler Mechanotransduktion, Wundheilung und kardiovaskulärer Biologie, erhebliche Einblicke in die Mechanotransduktion geliefert [1] [2] [9]. Trotz einiger Einschränkungen erweitern die kontinuierlichen Fortschritte bei der Sensordesign, die Kalibrierungsmethoden und die Anwendungen den Nutzen von Vinculinspannungssensoren in der biomedizinischen Forschung weiter. Durch die Bereitstellung einer direkten Anzeige der molekularen Kräfte tragen diese Sensoren zu einem tieferen Verständnis dessen, wie Zellen auf mechanische Hinweise spüren und reagieren, und ebnet den Weg für neuartige therapeutische Strategien, die auf Mechanotransduktionswege abzielen.
Ein Vinculin -Spannungssensor ist ein molekulares Werkzeug, mit dem die mechanischen Kräfte von Vinculin, einem Schlüsselprotein in fokalen Adhäsionen, gemessen werden. Es verwendet Förster Resonance Energy Transfer (FRET), um Änderungen der Spannung im gesamten Vinculin -Molekül zu erkennen [1] [9].
Der Sensor besteht aus den Vinculin -Kopf- und Schwanzdomänen mit einem flexiblen Linker und zwei zwischen ihnen eingeführten Fluoreszenzproteinen (FPS). Wenn Vinculin unter Spannung steht, werden die FPS auseinander gezogen, wodurch die Effizienz des Bund verringert wird. Umgekehrt, wenn die Spannung niedrig ist, sind die FPS näher und erhöhen die Büheseffizienz [1].
Zu den Vorteilen gehören die direkte Messung der molekularen Kräfte, eine hohe Empfindlichkeit (insbesondere in optimierten Versionen wie OPT-Vints), Echtzeitüberwachung in lebenden Zellen, räumliche Auflösung und Vielseitigkeit bei verschiedenen Zelltypen und experimentellen Bedingungen [1] [2].
Zu den Einschränkungen gehören Kalibrierungsherausforderungen, Umweltempfindlichkeit, Photobleichung fluoreszierender Proteine, mögliche Störung der endogenen Vinculinfunktion und die Notwendigkeit einer sorgfältigen Dateninterpretation [2].
Vinculinspannungssensoren können in Bereichen wie Zelladhäsion und Migration, Krebsbiologie, neuronale Mechanotransduktion, Wundheilung und kardiovaskuläre Biologie angewendet werden, die Einblicke in die Einwirkung der mechanischen Kräfte diese Prozesse geben [1] [2] [9].
[1] https://www.nature.com/articles/s41598-019-42132-x
[2] https://elifesciences.org/articles/33927
[3] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/pmc290188/
[4] https://elifesciences.org/articles/33927/Figures
[5] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30024378/
[6] https://www.researchgate.net/figure/nculin-bret-ssion-sensor-in-focal-adhesion-a-schematic-of-bioluminescent-resonance_fig1_353745106
[7] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/pmc3711198/
[8] https://www.mdpi.com/1422-0067/25/11/6198
[9] https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/pmc9150715/
