Weergaven: 222 Auteur: Leah Publish Time: 2025-02-13 Oorsprong: Site
Inhoudsmenu
● Ontwerp en functie van vinculine -spanningssensoren
>> Soorten vinculinespanningsensoren
>> Kalibratie en kwantificering
>> Voordelen
>> Beperkingen
● Toepassingen in biomedisch onderzoek
>> Neuronale mechanotransductie
>> Wondgenezing
● Veelgestelde vragen (veelgestelde vragen)
>> 1. Wat is een vinculinespanningssensor?
>> 2. Hoe werkt een vinculinespanningssensor?
>> 3. Wat zijn de voordelen van het gebruik van vinculinespanningssensoren?
>> 4. Wat zijn de beperkingen van vinculinespanningssensoren?
>> 5. In welke gebieden van biomedisch onderzoek kunnen vinculinespanningssensoren worden toegepast?
● Citaten:
Cellen worden continu onderworpen aan een verscheidenheid aan mechanische krachten die een cruciale rol spelen bij het reguleren van cellulair gedrag en functie. Deze mechanische signalen kunnen processen beïnvloeden zoals celadhesie, migratie, differentiatie en proliferatie. Inzicht in hoe cellen deze krachten voelen en reageren op deze krachten is essentieel voor het begrijpen van verschillende biologische processen en het ontwikkelen van nieuwe therapeutische strategieën [2] [5]. Vinculin, een alomtegenwoordig cytoskelet -eiwit, speelt een centrale rol in mechanotransductie door integrines te koppelen aan het actine -cytoskelet bij focale adhesies (FAS). Focale adhesies zijn dynamische eiwitcomplexen die cel-extracellulaire matrix (ECM) interacties bemiddelen en dienen als mechanische ankers, waardoor cellen kunnen voelen en reageren op externe krachten [1] [2].
Vinculinespanningssensoren zijn krachtige hulpmiddelen waarmee onderzoekers direct de mechanische krachten kunnen meten die door vinculinemoleculen in cellen worden ervaren. Deze sensoren zijn gebaseerd op Förster Resonance Energy Transfer (FRET), een fenomeen waarin energie wordt overgebracht tussen twee fluorescerende eiwitten (FP's) wanneer ze in de nabijheid zijn [1] [9]. Door een flexibele linker in te voegen tussen de vinculinekop- en staartdomeinen en deze te flankeren met FPS, kunnen onderzoekers een sensor creëren die de FRET -efficiëntie verandert in reactie op spanning [1]. Wanneer vinculine onder spanning staat, worden de FPS uit elkaar getrokken, waardoor FRET -efficiëntie wordt verminderd. Omgekeerd, wanneer vinculine onder lage spanning staat, zijn de FP's dichter bij elkaar, wat resulteert in een hogere FRET -efficiëntie [1].
Dit artikel onderzoekt het ontwerp, de functie en de toepassingen van vinculinespanningssensoren in biomedisch onderzoek. We duiken op hoe deze sensoren werken, hun voordelen en beperkingen en hun gebruik bij het begrijpen van mechanotransductie in verschillende biologische contexten. Bovendien zullen we veelgestelde vragen (FAQ's) beantwoorden om een uitgebreid overzicht van deze technologie te geven.
Vinculinespanningssensoren zijn ontworpen om de mechanische spanning te meten die vinculine ervaart, een belangrijk eiwit in focale adhesies. Deze sensoren bestaan meestal uit de volgende componenten [1] [2]:
- Vinculinekop- en staartdomeinen: de sensor omvat de kop- en staartdomeinen van het vinculine -eiwit, die essentieel zijn voor zijn functie in mechanotransductie [1].
- FRET -module: een flexibele linker, vaak een elastisch polypeptide, wordt geplaatst tussen de kop- en staartdomeinen. Deze linker wordt geflankeerd door twee fluorescerende eiwitten (FPS), een donor en een acceptor, waardoor Förster Resonance Energy Transfer (FRET) [1] [9] mogelijk is.
- Fluorescerende eiwitten (FPS): gebruikte gebruikte FP's omvatten cyaan fluorescerend eiwit (CFP) en geel fluorescerend eiwit (YFP), of meer geavanceerde paren zoals klaver en mRuby2, die verbeterde fotofysische eigenschappen bieden [2].
De vinculinespanningssensor werkt op basis van het principe van Förster Resonance Energy Transfer (FRET). FRET is een proces waarbij energie wordt overgebracht van een donorfluorofoor naar een acceptorfluorofoor wanneer ze in de buurt zijn. De efficiëntie van FRET is sterk afhankelijk van de afstand tussen de donor en acceptor [1] [9].
1. Hoge spanning: wanneer vinculine onder spanning staat, zorgt de kracht die op de sensor wordt uitgeoefend, de afstand tussen de donor en acceptor -FP's toeneemt. Deze verhoogde afstand vermindert de efficiëntie van FRET, wat resulteert in een lager FRET -signaal [1].
2. Lage spanning: omgekeerd, wanneer vinculine onder lage spanning staat, zijn de donor- en acceptor -FPS in de nabijheid. Deze nabijheid verhoogt de efficiëntie van FRET, wat resulteert in een hoger FRET -signaal [1].
Verschillende soorten vinculinespanningssensoren zijn ontwikkeld om de prestaties en gevoeligheid te optimaliseren. Deze omvatten:
- Vints (vinculinespanningssensor): het oorspronkelijke ontwerp bestaat uit de kop- en staartdomeinen van vinculine met een elastische FRET -module die ertussen is ingebracht [1]. Het vertoont een lage fret -efficiëntie onder hoge spanning en hoge FRET -efficiëntie onder lage spanning [1].
- Vintl (Vinculin Tailless): deze sonde mist het staartdomein, waardoor het ongevoelig is voor spanning en resulteert in een hoge FRET -efficiëntie [1]. Het dient als een controle voor spanning-onafhankelijke FRET-veranderingen [1].
-Opt-vinten (geoptimaliseerde vinculinespanningssensor): deze geoptimaliseerde sensor bevat een uitbreidbaar domein van negen herhaal ((GGSGGS) 9) om de mechanische gevoeligheid te verbeteren, waardoor meer nauwkeurige detectie van spanningsvariaties over vinculine [2] mogelijk is.
Om het FRET -signaal van vinculinespanningssensoren nauwkeurig te interpreteren, zijn kalibratie en kwantificering essentieel [2].
- In vitro kalibratie: initiële kalibraties werden uitgevoerd * in vitro * om de relatie tussen FRET -efficiëntie en toegepaste kracht vast te stellen. * In cellulo * verschillen echter vaak significant van * in vitro * instellingen als gevolg van variaties in ionsterkte, pH en drukte -effecten [2].
- In cellulo -kalibratie: om de beperkingen van * in vitro * kalibratie aan te pakken, hebben onderzoekers * in cellulo * kalibratiemethoden ontwikkeld. Deze methoden omvatten het meten van de mechanische eigenschappen van de ongestructureerde polypeptiden die in het uitbreidbare domein worden gebruikt direct in cellen [2].
-Modelgebaseerde kalibratie: een eerste principesmodel kan TSMOD-mechanische gevoeligheid voorspellen met behulp van * in cellulo * metingen van de mechanische eigenschappen van ongestructureerde polypeptiden die worden gebruikt als het uitbreidbare domein. Dit model helpt de behoefte aan * in vitro * kalibraties te omzeilen en verantwoordelijk te zijn voor omgevingsfactoren [2].
- FRET -efficiëntieanalyse: FRET -efficiëntie wordt gekwantificeerd door de verhouding van acceptoremissie tot donoremissie te meten. Veranderingen in deze verhouding duiden op veranderingen in spanning tussen vinculine [1] [9].
Fret efficiëntie = ik acceptor i donor
- Normalisatie: FRET -efficiëntiegegevens worden vaak genormaliseerd om rekening te houden met variaties in expressieniveaus en achtergrondfluorescentie [2].
- Directe meting van moleculaire krachten: vinculinespanningssensoren bieden een directe manier om de mechanische krachten te meten die vinculine ervaart bij focale verklevingen [1] [2].
- Hoge gevoeligheid: geoptimaliseerde sensoren zoals opt-vinten bieden verbeterde gevoeligheid, waardoor subtiele veranderingen in spanningsverdeling binnen cellen mogelijk zijn [2].
-Real-time monitoring: op FRET gebaseerde sensoren kunnen worden gebruikt voor realtime monitoring van vinculinespanning in levende cellen, waardoor dynamische informatie wordt geboden over mechanotransductieprocessen [1].
- Ruimtelijke resolutie: deze sensoren bieden ruimtelijke resolutie, waardoor spanningsverdelingen binnen individuele focale verklevingen en over de cel kunnen worden toegewezen [2].
- Veelzijdigheid: vinculinespanningssensoren kunnen worden gebruikt in verschillende celtypen en experimentele omstandigheden om mechanotransductie in verschillende biologische contexten te bestuderen [1] [9].
- Kalibratie -uitdagingen: nauwkeurige kalibratie van FRET -signalen kan een uitdaging zijn vanwege variaties in cellulaire omgevingen en sensor -eigenschappen [2].
- Omgevingsgevoeligheid: FRET -efficiëntie kan worden beïnvloed door factoren zoals pH, temperatuur en ionensterkte, die zorgvuldige controle van experimentele omstandigheden vereisen [2].
- Fotobleken: langdurige blootstelling aan excitatielicht kan fotobleken van de fluorescerende eiwitten veroorzaken, waardoor de signaalintensiteit in de tijd wordt verminderd [2].
- Sensorverstoring: overexpressie van de spanningssensor kan mogelijk endogene vinculinefunctie en cellulaire mechanica verstoren [2].
- Gegevensinterpretatie: het interpreteren van FRET -gegevens vereist zorgvuldige afweging van mogelijke artefacten en controles om nauwkeurige conclusies te garanderen [2].
Vinculinespanningssensoren hebben talloze toepassingen gevonden in biomedisch onderzoek en bieden waardevolle inzichten in mechanotransductie in verschillende fysiologische en pathologische processen.
Celadhesie en migratie zijn fundamentele processen in ontwikkeling, wondgenezing en kankermetastase. Vinculin speelt een cruciale rol in deze processen door cel-ECM-interacties te bemiddelen bij focale adhesies [1] [2].
- Studies: Vinculine -spanningssensoren zijn gebruikt om te onderzoeken hoe mechanische krachten celadhesie en migratie op verschillende substraten reguleren [1]. Onderzoekers hebben aangetoond dat cellen een hogere spanning uitoefenen op stijvere substraten, waardoor een sterkere hechting en snellere migratie worden bevorderd [2].
- Bevindingen: deze sensoren hebben ook aangetoond dat spanning over vinculine geassocieerd is met de assemblage en vergroting van focale verklevingen, terwijl lage spanning wordt waargenomen bij het demonteren of glijden van focale verklevingen [3].
Mechanische krachten spelen een belangrijke rol bij de ontwikkeling en progressie van kanker. Tumorcellen interageren met de omliggende extracellulaire matrix en stromale cellen, waarbij mechanische krachten worden gegenereerd die tumorgroei, invasie en metastase beïnvloeden [1].
- Studies: Vinculine -spanningssensoren zijn gebruikt om het samenspel tussen tumorcellen en osteocyten (botcellen) in de micro -omgeving van het bot te bestuderen [1]. Ze vonden dat tumorcellen afnemende trekkrachten en lage cellulaire motiliteit vertonen wanneer ze dicht bij osteocyten worden geplaatst [1].
- Bevindingen: deze sensoren kunnen de koppeling tussen moleculaire krachten en cellulaire motiliteit evalueren, waardoor inzichten worden gegeven in hoe tumorcellen reageren op mechanische signalen in hun micro -omgeving [1].
Neuronen zijn zeer gevoelig voor mechanische signalen, die een cruciale rol spelen bij neuronale ontwikkeling, axonbegeleiding en synapsvorming. Vinculine is essentieel voor mechanotransductie in neuronen [9].
- Studies: Vinculine -spanningssensoren zijn gebruikt in primaire culturen van corticale neuronen om de functie van vinculine in neuronale groeicegels te onderzoeken [9].
- Bevindingen: deze studies tonen de haalbaarheid aan van het gebruik van vints om mechanotransductie in neuronen te bestuderen, waardoor een basis is voor het begrijpen van hoe mechanische krachten neuronale ontwikkeling en functie reguleren [9].
Wondgenezing is een complex proces met celmigratie, ECM -remodellering en weefselregeneratie. Mechanische krachten spelen een cruciale rol bij het reguleren van deze gebeurtenissen [2].
- Studies: Vinculinespanningssensoren kunnen worden gebruikt om te onderzoeken hoe mechanische krachten fibroblastmigratie en ECM -depositie beïnvloeden tijdens wondgenezing [2].
- Bevindingen: door spanning over vinculine in fibroblasten te meten, kunnen onderzoekers inzicht krijgen in hoe cellen reageren op mechanische signalen van de wond micro -omgeving en bijdragen aan weefselherstel [2].
Mechanische krachten zijn van cruciaal belang bij het reguleren van de structuur en functie van bloedvaten. Endotheelcellen, die het binnenoppervlak van bloedvaten bekleden, worden constant blootgesteld aan vloeistofschuifspanning en mechanische rek [2].
- Studies: Vinculine -spanningssensoren kunnen worden gebruikt om te bestuderen hoe endotheelcellen reageren op deze mechanische krachten, die vasculaire remodellering en ziekte beïnvloeden [2].
- Bevindingen: deze sensoren kunnen inzicht geven in de rol van vinculine bij het bemiddelen van endotheelceladhesie, migratie en barrièrefunctie onder verschillende mechanische omstandigheden [2].
Hoewel vinculine -spanningssensoren ons begrip van mechanotransductie aanzienlijk hebben voortgebracht, zijn er nog steeds mogelijkheden voor verdere ontwikkeling en toepassing.
- Verbeterde sensorontwerp: toekomstige sensoren kunnen worden ontworpen met verbeterde gevoeligheid, dynamisch bereik en stabiliteit om meer nauwkeurige en betrouwbare metingen van moleculaire krachten te bieden [2].
- Multi-sensor benaderingen: combinatie van vinculinespanningssensoren met andere biosensoren, zoals die van de meetkracht op andere adhesie-eiwitten of ECM-stijfheid, kan een uitgebreider beeld geven van mechanotransductieprocessen [2].
- In vivo -toepassingen: het ontwikkelen van strategieën voor het gebruik van vinculinespanningssensoren * in vivo * zou de studie van mechanotransductie in meer fysiologisch relevante contexten mogelijk maken [2].
-High-throughput screening: het aanpassen van vinculinespanningssensortechnologie voor screening met hoge doorvoer kan de ontdekking van nieuwe geneesmiddelen vergemakkelijken die mechanotransductieroutes moduleren [2].
Vinculinespanningssensoren zijn waardevolle hulpmiddelen voor het direct meten van de mechanische krachten die vinculine in cellen ervaren. Deze sensoren hebben significante inzichten opgeleverd in mechanotransductie in verschillende biologische processen, waaronder celadhesie, migratie, kankerbiologie, neuronale mechanotransductie, wondgenezing en cardiovasculaire biologie [1] [2] [9]. Ondanks enkele beperkingen, blijven voortdurende vooruitgang in sensorontwerp, kalibratiemethoden en toepassingen het nut van vinculinespanningssensoren in biomedisch onderzoek uitbreiden. Door een directe uitlezing van moleculaire krachten te bieden, dragen deze sensoren bij aan een dieper inzicht in hoe cellen voelen en reageren op mechanische signalen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor nieuwe therapeutische strategieën gericht op mechanotransductieroutes.
Een vinculinespanningssensor is een moleculair hulpmiddel dat wordt gebruikt om de mechanische krachten te meten die door vinculine wordt ervaren, een belangrijk eiwit in focale verklevingen. Het maakt gebruik van Förster Resonance Energy Transfer (FRET) om veranderingen in spanning over het vinculinemolecuul te detecteren [1] [9].
De sensor bestaat uit de vinculinekop- en staartdomeinen, met een flexibele linker en twee fluorescerende eiwitten (FP's) die ertussen zijn ingevoegd. Wanneer vinculine onder spanning staat, worden de FPS uit elkaar getrokken, waardoor FRET -efficiëntie wordt verminderd. Omgekeerd, wanneer de spanning laag is, zijn de FP's dichterbij, waardoor FRET -efficiëntie toeneemt [1].
Voordelen omvatten directe meting van moleculaire krachten, hoge gevoeligheid (vooral in geoptimaliseerde versies zoals opt-vinten), realtime monitoring in levende cellen, ruimtelijke resolutie en veelzijdigheid in verschillende celtypen en experimentele omstandigheden [1] [2].
Beperkingen omvatten kalibratie -uitdagingen, omgevingsgevoeligheid, fotobleken van fluorescerende eiwitten, potentiële verstoring van de endogene vinculinefunctie en de behoefte aan zorgvuldige gegevensinterpretatie [2].
Vinculinespanningssensoren kunnen worden toegepast in gebieden zoals celadhesie en migratie, kankerbiologie, neuronale mechanotransductie, wondgenezing en cardiovasculaire biologie, waardoor inzicht wordt gegeven in hoe mechanische krachten deze processen beïnvloeden [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/pmc2901888/
[4] https://elifesciences.org/articles/33927/figures
[5] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30024378/
[6] https://www.researchgate.net/figure/nculin-bret-spensie-sensor-in-focal-adhesions-achematic-of-ioluminescent-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/
