استشعار ميكانو-نود-مسام: منصة سريعة وخالية من الملصقات لقياسات لزجة مرنة أحادية الخلية متعددة المعلمات
ديسمبر 2, 2022
تظهر هنا طريقة للنمط الظاهري للخلايا المفردة ميكانيكيا باستخدام منصة موائع دقيقة قائمة على الإلكترونيات تسمى استشعار العقدة الميكانيكية (mechano-NPS). تحافظ هذه المنصة على إنتاجية معتدلة من 1-10 خلايا / ثانية مع قياس كل من الخصائص الفيزيائية الحيوية المرنة واللزجة للخلايا.
نقدم منصة الموائع الدقيقة القائمة على الإلكترونيات للتنميط الظاهري الميكانيكي للخلايا المفردة. على وجه التحديد ، نقيس الخصائص المرنة واللزجة أحادية الخلية بمعدل إنتاجية يصل إلى 10 خلايا في الثانية. تتطلب طريقتنا الحد الأدنى من إعداد العينة ، وتستخدم قياسا إلكترونيا مباشرا ، لتحل محل الأجهزة البصرية باهظة الثمن وتحليل الصور المعقدة ، وهي غير مدمرة ، مما يعني أن نهجنا متوافق مع التحليلات النهائية.
تم تطبيق Mechano-NPS على العديد من أنواع الخلايا ، بما في ذلك العينات الأولية ، وقاس تأثير المكونات تحت الخلوية على مرونة لزوجة الخلية الواحدة. يمكن استخدامه لفهم سلوك الخلية ، أو تحديد تطور المرض ، أو مراقبة الاستجابة للأدوية. للبدء ، قم بإزالة المكونات المعالجة بالبلازما من غرفة البلازما.
ماصة محلول اثنين إلى واحد من الميثانول والماء منزوع الأيونات على الركيزة الزجاجية بأقطاب كهربائية مسبقة الصنع. ثم ضع قالب PDMS مع جانب الميزة لأسفل أعلى الركيزة الزجاجية. ضع الجهاز تحت المجسم لضبط المحاذاة.
اخبز الجهاز المحاذي لإكمال تصنيع الجهاز. قم بإعداد مصدر الضغط وثنائي الفينيل متعدد الكلور وأجهزة الطاولة وبرامج الحصول على البيانات. بعد ذلك ، قم بمحاذاة دبابيس رأس المشابك مع الثقوب الموجودة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور وقم بمحاذاة دبابيس الزنبرك المحملة بالمشابك مع وسادات ملامسة القطب على جهاز الموائع الدقيقة.
ثم أدخل دبابيس رأس المشابك في فتحات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، مع التأكد من بقاء المسامير المحملة بنابض محاذية لوسادات تلامس القطب الكهربائي. إعداد وتوصيل الأجهزة الإلكترونية. بعد ذلك ، قم بتعيين القيم لتهيئة جلسة الحصول على البيانات وتعيين معدل العينة للاكتساب.
الثقافة وإعداد الخلايا وفقا لبروتوكول زراعة الخلايا المناسب لخط الخلية المختار. ثم قم بتعليق الخلايا في محلول معد من 2٪ FBS و 1X PBS بتركيز يتراوح بين 100،000 و 500،000 خلية لكل ملليلتر. الحفاظ على الخلايا على الجليد طوال مدة التجارب.
لتحميل الخلايا في جهاز الموائع الدقيقة ، قم بقطع 30 سم من أنابيب polytetrafluoroethylene بشفرة حلاقة. استخدم حقنة لإسقاط عينة الخلية في نهاية الأنبوب وتوصيل نفس الطرف بمدخل الجهاز. أخيرا ، قم بتوصيل الطرف الآخر للأنبوب بجهاز التحكم في ضغط الموائع الدقيقة.
لتشغيل التجربة ، اضبط ضغط القيادة الثابت المطلوب على برنامج التحكم في الضغط واترك العينة تملأ الجهاز. إذا تشكلت فقاعات في قنوات الموائع الدقيقة ، فاستخدم حشوة مسدودة. قم بتوصيل منفذ الجهاز وتطبيق ضغط منخفض على المدخل لإجبار الهواء على الخروج من خلال PDMS المنفذ للغاز.
ثم اضبط الجهد المطلوب عن طريق تدوير مقبض الجهد على مصدر الطاقة وتمكين الجهد بالضغط على زر التشغيل. قم بتشغيل المضخم الأولي الحالي واضبط الحساسية على أدنى مستوى ممكن. بدلا من ذلك ، اضبط الكسب على أعلى مستوى ممكن دون التحميل الزائد على المضخم الأولي أو تجاوز الحد الأقصى لجهد الدخل التناظري ل DAQ.
اضغط على الزر "تشغيل" الأخضر في قائمة الشريط MATLAB لبدء البرنامج النصي للحصول على البيانات NPS. م ، والبدء في أخذ العينات وحفظ البيانات. لإنهاء التجربة، اضغط على الزر إيقاف ( Stop) في الزاوية السفلية اليسرى من نافذة الرسم المباشر لإنهاء البرنامج النصي للحصول على البيانات.
ثم قم بتعطيل خرج مصدر الطاقة بالضغط على زر التشغيل. أخيرا ، اضبط مصدر الضغط على ضغط صفري في برنامج التحكم في الضغط. لتحليل البيانات ، يجب أن تحتوي الإشارة الأولية على نسبة إشارة إلى ضوضاء كافية لتصفية الضوضاء واستخراج المكونات المهمة.
بشكل حاسم ، يجب أن يكون ارتفاع الإشارة الحالية من كل عقدة قويا بدرجة كافية بحيث يمكن التعرف بسهولة على النبضات الفرعية من إشارة الفرق. خلايا MCF-7 الخبيثة لها توزيع wCDI أكبر من خلايا MCF-10A غير الخبيثة ، مما يشير إلى أن خلايا MCF-7 الخبيثة أكثر ليونة من نظيراتها غير الخبيثة MCF-10A. تظهر خلايا MCF-10A و MCF-7 المعالجة باللاترونكولين زيادة في wCDI.
يشير توزيع wCDI المميز الذي يميز بين نوعي الخلايا الأولية إلى أن خلايا LEP أكثر ليونة من خلايا MEP. يحتوي MCF-10As غير الخبيث و MCF-10A و MCF-7s غير المعالج على نسبة أكبر من الخلايا التي تتعافى على الفور ، مما يشير إلى لزوجة أقل من نظيرتها الخبيثة أو المعالجة باللاترونكولين. إذا بدت قراءات التيار المباشر غير طبيعية، فأوقف تجربتك وافحص قناة الموائع الدقيقة.
تأكد من عدم وجود فقاعات هواء ولا سدادات بحيث تتدفق الخلايا بحرية من المدخل إلى المخرج. نظرا لأن طريقتنا لا تضر بالخلايا ، يمكن إجراء تحليلات المصب مثل RNA-seq أو التألق المناعي. يمكن أن يساعد هذا في الكشف عن بعض الأسباب الكامنة وراء امتلاك الخلايا لأنماط ظاهرية ميكانيكية متميزة.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه المقالة طريقة لتصوير الخواص الميكانيكية للخلايا المفردة باستخدام منصة مخبرية دقيقة تعتمد على الإلكترونيات والمعروفة بإستشعار العقدة الميكانيكية (ميكانو-NPS). تتيح المنصة قياس كل من الخصائص المرنة واللزجة للخلايا بمعدل إنتاج يصل إلى 10 خلايا في الثانية، مما يسهل الحد الأدنى من تحضير العينة والتحليل غير المدمر.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- بيولوجيا الخلية
- الجريان الدقيق
الخلفية
- ميكانو-NPS هي منصة مبتكرة لدراسة ميكانيكا الخلية المفردة.
- تتيح الطريقة تحليل أنواع مختلفة من الخلايا، بما في ذلك العينات الأولية.
- توفر رؤى حول الخصائص اللزوجة المرنة للخلايا.
- المنهج متوافق مع التحليلات اللاحقة، مما يعزز فائدته في البحث.
غرض الدراسة
- تطوير طريقة لتصوير الخواص الميكانيكية للخلايا المفردة.
- قياس الخصائص المرنة واللزجة للخلايا بكفاءة.
- تسهيل فهم سلوك الخلية وتقدم المرض.
الطرق المستخدمة
- منصة دقيقة إلكترونية لتحليل الخلايا.
- قياس اللزوجة المرنة لخلية مفردة.
- تحضير عينة بسيط.
- قياس غير مدمر متوافق مع تحليلات لاحقة.
النتائج الرئيسية
- قياس ناجح للخصائص المرنة واللزجة لأنواع مختلفة من الخلايا.
- تطبيق ناجح لـ ميكانو-NPS في دراسة المكونات تحت الخلوية.
- إمكانية مراقبة استجابات الدواء وفهم آليات المرض.
الخلاصات
- ميكانو-NPS هو أداة قيّمة لتصوير الخواص الميكانيكية للخلايا.
- تقدم المنصة بديلاً فعالاً من حيث التكلفة للطرق التقليدية.
- تفتح طرقًا جديدة للبحث في ميكانيكا الخلية والفيزياء الحيوية.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Mechano-node-pore sensing (mechano-NPS) enables rapid, label-free, multi-parameter viscoelastic profiling of single cells, addressing the need for higher-throughput, quantitative mechanical phenotyping in discovery-stage biopharma R&D. By providing both elastic and viscous measurements at moderate throughput with minimal sample preparation, this platform supports predictive confidence in target validation and mechanistic de-risking. Its compatibility with downstream analyses positions it as a reusable capability for portfolio-wide biological interrogation and risk-adjusted advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of cell mechanical phenotypes relevant to disease progression and drug response.
- Supports functional target validation by distinguishing cell states based on viscoelastic properties.
- Facilitates mechanistic de-risking by linking subcellular components to measurable biophysical outputs.
- Provides multi-parameter data to inform predictive confidence and triage in early discovery.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, label-free mechanical phenotyping assays for downstream compound screening.
- Delivers standardized, reproducible, and quantitative viscoelastic readouts for assay development.
- Enables moderate-throughput screening readiness without reliance on complex optical systems.
- Supports reliable evaluation of compound effects on cell mechanics.
Translational & Preclinical Research
- Aligns mechanical phenotyping with disease-relevant cellular states for translational biomarker exploration.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by enabling downstream molecular analyses.
- Provides risk-adjusted data for advancement decisions based on biophysical cell state changes.
- Offers predictive de-risking for mechanistic hypotheses in disease models.
Pipeline & Workflow Integration
Mechano-NPS integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking at the single-cell level.
- Discovery Biology: Quantifies viscoelastic properties to test mechanistic hypotheses and clarify disease pathways.
- Screening: Provides reproducible, quantitative outputs for compound evaluation and assay standardization.
- Analytics: Generates multi-parameter measurements (size, deformation, recovery) for robust statistical comparison.
- Translational Research: Supports biomarker alignment and downstream molecular profiling of phenotyped cells.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for repeated use across diverse cell types and programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable, and reproducible mechanical phenotyping with minimal sample prep.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by providing actionable biophysical data early.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement across multiple discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, electronics-based measurement, and data analysis.
- Needs access to standard soft lithography fabrication and electronic data acquisition infrastructure.
- Demands cross-team standardization for sample preparation and data interpretation.
- Adaptable to a range of cell types and compatible with downstream molecular analyses.
- Throughput is moderate (up to 10 cells/sec), balancing depth of measurement with screening needs.
