Method Article

نمط الكائنات الحية الدقيقة والجسيمات الدقيقة من خلال التجميع المتسلسل بمساعدة الشعيرات الدموية

DOI:

10.3791/63131

⸱

November 4th, 2021

 ,  ,  , 
1Institute of Environmental Engineering, Department of Civil, Environmental and Geomatic Engineering, ETH Zurich, 2Department of Materials, ETH Zurich

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نحن نقدم تقنية تستخدم التجميع بمساعدة الشعيرات الدموية في منصة الموائع الدقيقة لنمط الأجسام الصغيرة الحجم المعلقة في سائل ، مثل البكتيريا والغرويات ، في صفائف موصوفة على ركيزة polydimethylsiloxane.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يوفر النمذجة الخاضعة للرقابة للكائنات الحية الدقيقة في ترتيبات مكانية محددة إمكانيات فريدة لمجموعة واسعة من التطبيقات البيولوجية ، بما في ذلك دراسات علم وظائف الأعضاء الميكروبية والتفاعلات. وعلى أبسط مستوى، من شأن الأنماط المكانية الدقيقة للكائنات الحية الدقيقة أن تمكن من التصوير الموثوق به والطويل الأجل لأعداد كبيرة من الخلايا الفردية وتحويل القدرة على الدراسة الكمية للتفاعلات بين الميكروبات والميكروبات المعتمدة على المسافة. وعلى نحو أكثر تفردا، فإن الاقتران بين الأنماط المكانية الدقيقة والتحكم الكامل في الظروف البيئية، على النحو الذي توفره تكنولوجيا الموائع الدقيقة، من شأنه أن يوفر منصة قوية ومتعددة الاستخدامات للدراسات أحادية الخلية في علم البيئة الميكروبي.

تقدم هذه الورقة منصة الموائع الدقيقة لإنتاج أنماط متعددة الاستخدامات ومحددة من قبل المستخدم للكائنات الحية الدقيقة داخل قناة الموائع الدقيقة ، مما يسمح بالوصول البصري الكامل للمراقبة طويلة الأجل عالية الإنتاجية. تعتمد تقنية الموائع الدقيقة الجديدة هذه على تجميع الجسيمات بمساعدة الشعيرات الدموية وتستغل القوى الشعرية الناشئة عن الحركة الخاضعة للرقابة لتعليق التبخر داخل قناة الموائع الدقيقة لإيداع كائنات فردية صغيرة الحجم في مجموعة من الفخاخ المصنعة على ركيزة متعددة الميثيل سيلوكسان (PDMS). تولد الترسبات المتسلسلة التخطيط المكاني المطلوب لأنواع مفردة أو متعددة من الكائنات صغيرة الحجم ، تمليها فقط هندسة الفخاخ وتسلسل التعبئة.

تمت معايرة المنصة باستخدام جزيئات غروية ذات أبعاد ومواد مختلفة: فقد أثبتت أنها أداة قوية لتوليد أنماط غروية متنوعة وإجراء عملية سطحية للجسيمات المحاصرة. علاوة على ذلك ، تم اختبار المنصة على الخلايا الميكروبية ، باستخدام خلايا الإشريكية القولونية كبكتيريا نموذجية . تم نقش الآلاف من الخلايا الفردية على السطح ، وتم رصد نموها بمرور الوقت. في هذه المنصة ، يسمح اقتران ترسب الخلية الواحدة وتكنولوجيا الموائع الدقيقة بكل من الأنماط الهندسية للكائنات الحية الدقيقة والتحكم الدقيق في الظروف البيئية. وبالتالي فإنه يفتح نافذة على فسيولوجيا الميكروبات المفردة وبيئة التفاعلات بين الميكروبات والميكروبات ، كما هو موضح في التجارب الأولية.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

إن الأنماط المكانية للكائنات الحية الدقيقة المفردة ، خاصة داخل الساحات التجريبية التي تمكن من التحكم الكامل في الظروف البيئية ، مثل أجهزة الموائع الدقيقة ، أمر مرغوب فيه للغاية في مجموعة واسعة من السياقات. على سبيل المثال، فإن ترتيب الكائنات الحية الدقيقة في صفائف منتظمة من شأنه أن يسمح بالتصوير الدقيق لأعداد كبيرة من الخلايا الفردية ودراسة نموها، وعلم وظائف الأعضاء، والتعبير الجيني استجابة للمحفزات البيئية، وقابلية الأدوية. كما سيسمح بدراسة التفاعلات بين الخلايا والخلايا ذات الأهمية الخاصة في البحوث في مجال الاتصالات الخلوية (على سبيل المثال، استشعار النصاب)، أو التغذية المتقاطعة (على سبيل المثال، التكافل بين الطحالب والبكتيريا)، أو العداء (على سبيل المثال، اعتلال ال....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. إعداد السيليكون الرئيسي

ملاحظة: تم تصنيع قوالب PDMS التي تحمل الفخاخ الدقيقة التي تشكل قالب النقش الغروي والميكروبي وفقا للطريقة التي قدمها Geissler et al. 17. تم إعداد سيد السيليكون بواسطة الطباعة الحجرية التقليدية في غرفة الأبحاث. راجع الخطوات التالية للاطلاع على الإجراء وجدول المواد الخاص بالمعدات.

  1. تصميم الميزات باستخدام برنامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD).
  2. قم بإعداد قناع الكروم الزجاجي بطبقة من المقاومة الإيجابية للضوء من خلال تعريض الميزات المصممة باستخدام كاتب ليزر مباشر للأشعة فوق البنفسجية.
    1. طور قناع الكروم الزجاجي باستخدام م....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تطوير منصة الموائع الدقيقة التي تستغل التجميع بمساعدة الشعيرات الدموية لنمط الجسيمات الغروية والبكتيريا في الفخاخ الدقيقة الصنع على قالب PDMS. تم تصميم هندستين هندسيتين مختلفتين للقنوات لتحسين نمط الغرويات والبكتيريا من خلال التجميع بمساعدة الشعيرات الدموية. تتكون هندسة القناة الأولى (الشكل 1B) من ثلاثة أقسام متوازية بطول 23 مم مع عدم وجود حاجز مادي بينهما. يبلغ عرض القسمين على الجانبين 5 مم وارتفاعهما 1 مم ، بينما يبلغ عرض القسم المركزي 7 مم وارتفاعه 500 ميكرومتر. يساعد هذا التصميم في ال.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تسمح منصة الموائع الدقيقة الموصوفة هنا بنقش الأجسام الصغيرة الحجم ، مثل الغرويات والبكتيريا ، في ترتيبات مكانية موصوفة على ركيزة PDMS. إن التحكم الكامل في الظروف البيئية التي توفرها الموائع الدقيقة والقدرة على نمط الخلايا بدقة ميكرومترية تمنحها تقنية sCAPA يجعلها منصة واعدة للغاية لدراسات علم وظائف الأعضاء والبيئة المستقبلية.

في التجارب المقدمة في هذا العمل ، تم تحقيق سيد السيليكون باستخدام مقاومة الضوء المبلغ عنها في جدول المواد. ومع ذلك ، يمكن استخدام أي مقاومة للضوء مناسبة .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإفصاح عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعترف المؤلفون بالدعم المقدم من منحة SNSF PRIMA 179834 (إلى E.S.) ، ومنحة أبحاث ETH ETH-15 17-1 (R. S.) ، وجائزة جوردون وبيتي مور للباحث في التكافل الميكروبي المائي (منحة GBMF9197) (R. S.). يشكر المؤلفون الدكتور ميغيل أنخيل فرنانديز رودريغيز (جامعة غرناطة ، إسبانيا) على تصوير SEM للبكتيريا وعلى المناقشات الثاقبة. يشكر المؤلفون الدكتورة جين نغوين (جامعة كولومبيا البريطانية ، كندا) ، والدكتورة لورا ألفاريز (ETH Zürich ، سويسرا) ، وكاميرون بوغون (ETH Zürich ، سويسرا) والدكتور فابيو غريلو على المناقشات الثاقبة.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Alcatel AMS 200SE I-SpeederAlcatel نظامالتبادل الأيوني العميق التفاعل
Alconoxالمطور
AZ400K مطورMicrochemicalsAZ400K
BD 10 مل حقنة (Luer-Lock)300912تستخدم لطرد مرق Lysogeny الطازج في قناة Microfluidic
Box IncubatorLife خدماتالمستخدمة لضمان درجة حرارة موحدة وثابتة في قناة
الطرد المركزيEppendorf5424Rتستخدم لاستبدال الوسائط الليلية
بميني جديد من الوسائط البسيطة قارورة الطرد المركزيEppendorf301200861.5 مل
CETONI Base 120CETONI GmbH
جزيئات PS الفلورية بقطر 0.98 وميكرو ؛ م (أحمر)microParticles GmbHPS-FluoRed-Fi267
جزيئات PS الفلورية بقطر 1.08 وميكرو ؛ م (أخضر)microParticles GmbHPS-FluoGreen-Fi182
جزيئات PS الفلورية بقطر 2.07 وميكرو ؛ م (أخضر)microParticles GmbHPS-FluoGreen-Fi183
جزيئات PS الفلورية بقطر 2.08 وميكرو ؛ م (أحمر)microParticles GmbHPS-FluoRed-Fi180
Gigabatch 310 MPVA TePlaتستخدم لمعالجة البلازما رقاقة سيليكون مقاس 10 سم
H401-T-CONTROLLERوحدة تحكم Okolabللوحة الزجاج المسخن
H601-NIKON-TS2R-GLASSOkolabلوحة زجاجية ساخنة
هايدلبرغ DWL 2000هايدلبرغ إنسترومنتسزليزر مباشر للأشعة فوق البنفسجية كاتب
محاقن الأنسولين ، U 100 ، مع luerCodan Medical ApSCODA621640مل حقنة تستخدم لسحب التعليق السائل أثناء عملية الزخرفة
KlayoutOpensourceالمستخدمة لتصميم الميزات على سيد السيليكون
LB Broth ، Miller (Luria-Bertani)Fisher Scientific244610مرق Lysogeny تم شطفه في قناة الموائع
الدقيقة Masterflex نقل الأنابيبMasterflexHV-06419-050.020 '' ID ، 0.06 '' OD
MOPS (10x)TeknovaM2101مخفف عشرة أضعاف بماء milliQ ويستخدم لاستبدال نيكون
Eclipse Ti2ميكروسكوبللأدوات
openSCADمفتوحالمصدر المستخدم لتصميم
أجهزة الصرافOPTIspin SB2051-0002-01-00مطور الدوران
غرفة البلازما ZeptoDiener ElectronicZEPTO-1تستخدم لمعالجة البلازما للقالب والقناة الدقيقة لربطها
مقاومة للضوء الإيجابية AZ1505MicroChemicalsAZ1505
فوسفات البوتاسيوم ثنائي القاعدةSigma AldrichP3786تمت إضافته إلى MOPS 1x
Prusa المعالجة والغسالة CW1SPrusaتستخدم لضمان معالجة جميع البوليمرات وإزالة البوليمر غير المعالج من القالب
راتنج بروسا - ToughPrusa Research a.s.راتنج سائل حساس للأشعة فوق البنفسجية 405 نانومتر للطباعة ثلاثية الأبعاد
Prusa SL1تستخدم لطباعة القالب
مقياسVWR-CH611-2605المستخدم لوزن خليط PDMS
رقاقة السيليكون (10 سم) شركةمواد السيليكونN / Phos < 100> 1-10 وأوميغا; سم
S & uuml; ss MA6 قناع محاذاةSUSS MicroTecلمحاذاة قناع الكروم الزجاجي والركيزة ، وفضح الركيزة
Sylgard 184Dow Corningسيليكون المطاط الصناعي كيت. عامل المعالجة
Techni Etch Cr01Technicالكروم حفر
Trichloro (1H ، 1H ، 2H ، 2H ، 2H-perfluorooctyl) silaneSigma Aldrich448931تستخدم لسيليان القالب المطبوع ثلاثي الأبعاد
TWEEN 20Sigma AldrichP1379تستخدم لضمان زاوية التلامس المثلى أثناء عملية الزخرفة
Veeco Dektak 6 MVeecoprofilometer
VTC-100 Vacuum Spin CoaterMTI corporationفراغ تدور المغطي
التصنيع الصغير نظام BD التصوير 1 نيكون بين عشية وضحاها مجموعة الآلي القالب طابعة ثلاثية الأبعاد تستخدم مجموعة

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Choi, C. H., et al. Preparation of bacteria microarray using selective patterning of polyelectrolyte multilayer and poly(ethylene glycol)-poly(lactide) deblock copolymer. Macromolecular Research. 18 (3), 254-259 (2010).
  2. Smriga, S., Fernandez, V. I., Mitchell, J. G., Stocker, R.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Microorganism PatterningCapillarity Assisted AssemblyMicrofluidic PlatformColloidal Particle PatterningSingle Cell AnalysisMicrofluidic ChannelPDMS MicrofabricationBacterial Cell PatterningSequential DepositionMicrobe Microbe Interactions

Related Articles