Molecular imaging technologies for mechanobiology

机械生物学分子成像技术

• 批准号: 10091485
• 负责人: Alexa Lynn Mattheyses
• 金额: $ 38.52万
• 依托单位: EMORY UNIVERSITY
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2019-01-01 至 2022-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10091485
• 关键词: 3-Dimensional; Address; Antigens; Atomic Force Microscopy; Biochemical; Biochemistry; Biological; Biological Process; Biomechanics; Blood coagulation; Cell Surface Receptors; Cell division; Cell physiology; Cells; Coagulation Process; DNA; Development; Diagnosis; Disease; Embryonic Development; Family; Fibroblasts; Fluorescence; Fluorescence Microscopy; Fluorescence Polarization; Fluorescence Resonance Energy Transfer; Focal Adhesions; Goals; Hemostatic function; Image; Imaging technology; Immobilization; Individual; Intercellular Junctions; Life; Link; Magnetism; Maps; Measurement; Measures; Mechanics; Methods; Microscope; Modeling; Molecular; Molecular Conformation; Nanotechnology; Nature; Neoplasm Metastasis; Optics; Organism; Pathway interactions; Platelet Activation; Platelet aggregation; Polarization Microscopy; Receptor Cell; Resolution; Science; Signal Pathway; Signal Transduction; Spectrum Analysis; Stroke; Structure; T-Lymphocyte; Techniques; Technology; Testing; Time; Traction; Traction Force Microscopy; Work; base; biological systems; experience; fluorescence imaging; fluorophore; functional outcomes; improved; instrumentation; mechanical force; mechanotransduction; migration; millisecond; molecular dynamics; molecular imaging; molecular mechanics; nanoscale; public health relevance; receptor; single molecule; stem; stem cell differentiation; stem cells; symposium; technique development; temporal measurement; tool; transmission process; tumor growth

Project Summary    Cells  are  highly  dynamic,  squeezing,  pulling,  and  tugging  on  their  surroundings  and  on  each  other.  Each  individual interaction involves forces. These forces are felt by specific receptors and molecules. Although small  in magnitude (pN), these molecular forces can have profound biological impacts in many aspects of cellular life  including the fate of differentiating stem cells, cell division, cancer metastasis, and blood clotting. Therefore, the  ability  to  characterize  the  interplay  between  physical  forces  and  biochemical  signals  is a  critical  component  of  understanding  signaling  pathways  in  living  systems.  There  are  two  main  techniques  used  to  study  molecular  mechanobiology:  single  molecule  force  spectroscopy  (SMFS)  and  traction  force  microscopy  (TFM)  based  methods. While powerful, these approaches suffer from several drawbacks. SMFS measures individual receptor  forces (pN), but it does so only one molecule at a time. Conversely TFM provides spatial maps of cellular forces,  but on the nN scale, orders of magnitude larger than the forces applied by individual cell receptors.  To bridge  these  approaches,  we  invented  molecular  tension  fluorescence  microscopy  (MTFM)  which  uses  conventional  fluorescence microscopy to map cellular forces with pN resolution by using a calibrated molecular force probe.  The goal of this proposal is to transform the capabilities of MTFM allowing orders of magnitude improvement in  spatial and temporal resolution as well as the mapping of force orientation. Molecular mechanobiology remains  at  the  fringes  of  biomedical  sciences  because  of  the  lack  of  tools  to  precisely  quantify  and  link  mechanics  to  cellular biochemistry. Our goal is to transform the field of molecular mechanobiology by developing new imaging  technologies  to  enable  the  study  cellular  forces  at  unprecedented  resolution.  These  technologies,  centered  around  the  DNA-­based  MTFM  probes,  will  provide  a  broadly  applicable  platform  of  technology  to  investigate   molecular mechanics, and the functional outcomes of molecular forces, in diverse biological systems.  In Aim 1  we will address the spatial resolution gap, and leverage the DNA-­based force probes to develop super-­resolution  force-­PAINT  with  the  goal  of  dynamic  force  imaging  with  20  nm  spatial  resolution.  In  Aim  2  we  will  probe  the  dynamics of forces and force fluctuations by harnessing the power of two approaches, FRAP and FCS, to study  molecular  force  dynamics  with  nsec  to  msec  time  resolution.  Finally,  in  Aim  3  we  will  leverage  fluorescence  polarization  microscopy  to  measure  the  3D  orientations  of  molecular  forces.  We  will  use  fibroblast  focal  adhesions,  platelet  activation  and  coagulation,  and  T  cell  antigen  recognition  to  test  and  verify  our  approach.  Accomplishment of these goals will provide a new toolkit for understanding molecular forces and generating a  framework of how force organization and dynamics influence cellular function in healthy and disease states.

项目概要   细胞是高度动态的，它们对周围环境以及彼此之间进行挤压、拉扯和拉扯。 个体相互作用涉及力。这些力可以被特定的受体和分子感受到。 以大小 (pN) 计，这些分子力可以对细胞生命的许多方面产生深远的生物影响。 包括分化干细胞、细胞分裂、癌症转移和血液凝固的命运。 表征物理力和生化信号之间相互作用的能力是 了解生命系统中的信号传导途径有两种主要技术用于研究分子。 力学生物学：基于单分子力谱（SMFS）和牵引力显微镜（TFM） 虽然这些方法很强大，但也有一些缺点。SMFS 测量的是个体受体。 力（pN），但每次只作用一个分子。相反，TFM 提供细胞力的空间图， 但在 nN 尺度上，比单个细胞受体施加的力大几个数量级。 这些方法，我们发明了分子张力荧光显微镜（MTFM），它使用传统的 荧光显微镜通过使用校准的分子力探针以 pN 分辨率绘制细胞力。 该提案的目标是转变 MTFM 的功能，从而实现数量级的改进 空间和时间分辨率以及分子力学生物学的映射仍然存在。 由于缺乏精确量化力学并将其与力学联系起来的工具，它处于生物医学科学的边缘 我们的目标是通过开发新的成像技术来改变分子力学生物学领域。 能够以前所未有的分辨率研究细胞力的技术。 围绕基于 DNA 的 MTFM 探针，将为研究提供广泛适用的技术平台 目标 1 中的分子力学以及分子力的功能结果。 我们将解决空间分辨率差距，并利用基于 DNA 的力探针来开发超分辨率 Force-PAINT 的目标是实现 20 nm 空间分辨率的动态力成像。在目标 2 中，我们将探讨 通过利用 FRAP 和 FCS 两种方法的力量来研究力和力波动的动力学 最后，在目标 3 中，我们将利用荧光。 我们将使用成纤维细胞焦点来测量分子力的 3D 方向。 粘附、血小板活化和凝血以及 T 细胞抗原识别来测试和验证我们的方法。 这些目标的实现将为理解分子力并生成 力组织和动力学如何影响健康和疾病状态下细胞功能的框架。