微流体技术，探讨细胞变形

Summary

我们展示了一个微流体为基础的检测通过微米级的收缩序列来测量时间刻度为细胞转运。

Abstract

在这里，我们详细的设计，制造和使用的微流体设备的评估，以有效地对大量单个细胞的变形能力。通常情况下，可以在1小时实验中获得了^10〜2单元中的数据。一种自动图像分析程序使图像数据的高效后实验分析，使处理是在几个小时内完成。我们的设备的几何形状是独特的，因为细胞必须变形，通过一系列的微米尺度收缩，从而使初始变形和各个单元的时间依赖性舒张待测定。此方法对人早幼粒细胞白血病（HL-60）细胞的适用性论证。驱动单元发生变形，通过使用压力驱动的流动微米尺度收缩，我们观察到人类早幼粒细胞（HL-60）细胞中，通过随后的收缩传代更快之前暂时阻塞所述第一收缩为9.3毫秒的平均时间离子，每收缩4.0毫秒的平均中转时间。与此相反，全反式视黄酸处理的（嗜中性粒细胞型）的HL-60细胞通过随后的收缩传代以3.3毫秒的平均传输时间之前，闭塞第一缩颈为只有4.3毫秒。这种方法可以更深入地了解细胞的粘弹性性质，最终揭示这种行为的分子起源。

Introduction

改变细胞形状在许多生物环境是至关重要的。例如，红细胞和白细胞的变形通过毛细血管比自身直径小^1。在转移，癌细胞必须变形，通过狭窄的缝隙间，以及曲折的血管和淋巴管网的种子在辅助站点^2。探测单个细胞的物理特性，微流控设备提出了可自定义，研究了一系列的细胞行为，包括他们的迁移，通过狭窄的缝隙^3，通过微米级的收缩^3-9被动变形能力的理想平台。聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流体装置是光学透明的，从而使电池变形，以使用光显微镜观察，并使用基本的图像处理工具进行分析。此外，收缩阵列可以被精确定义，同时使多个细胞的分析与吞吐量超过许多现有的技术^10,11。

在这里，我们提出了一个详细的实验方案，用于探测使用"细胞变形器"的PDMS微流体装置，细胞变形。该设备被设计成使得通过连续收缩的细胞通路;这种几何结构是在生理环境下，如肺毛细血管床¹²共同。为了测量细胞变形，运输时间提供了一个容易测量通过一个单一的收缩^4,6需要一个单独的单元格过境时的方便度量值。为了保持整个狭窄通道在细胞中转恒定的压力降，我们用压力驱动流。我们的协议包括由压力驱动的流动，制备和细胞的成像，以及图像处理的装置的设计和制造中，设备操作的详细说明，测量时间为细胞变形，通过一系列收缩的。我们有这两个设备的设计和视觉数据处理代码的补充文件。随着数据的代表性样本，我们证明细胞转运时间通过一系列收缩的收缩作为传代次数的函数。时间刻度为细胞转运分析，虽然微流体装置的窄收缩可以揭示在各种细胞类型^4,5,13的变形差异。这里展示的设备唯一调查了细胞转运通过一系列的微米级收缩;此设计模拟在循环的细胞经历，也使探测单元的额外的物理特性，如松弛时间的曲折路径。

Protocol

1，微流控装置的设计

注:该设备设计有四个基本功能区域:输入端口，细胞过滤器，节流阵列，和出口（ 图1）。整体的设计可应用于细胞类型的广泛，与微调尺寸。这里提供的是连同有效的选择主要和永生化细胞的设备参数的一些基本设计建议。

1. 选择缩颈阵列通道（ 图1B）的宽度为平均泡孔直径的约30-50％;此缩颈至细胞大小比结果显著细胞变形，但最小的堵塞。由于以前没有经过测试的细胞类型，谨慎的做法是设计一系列收缩宽度从大约30-50％的细胞直径找到最佳宽度。与许多类型的微流体装置中，超过120设备的模具师傅可以在罪恶图案GLE 4英寸硅片，使不同的设备设计的阵列来制作在一个单一的制造工艺。
2. 选择的信道的高度是细胞直径的至少50％;这确保了细胞被限制在2个维度。为了防止焊接过程中通道坍塌，确保渠道的纵横比不小于1点10分（高:宽）整个设备。对于渠道必须超过这个长宽比，增加支撑柱，防止坍塌。空间支撑柱的距离至少是两倍的泡孔直径，以不妨碍信元流。
3. 包括过滤器在入境口岸，除去杂物和分解细胞簇（ 图1B）。调整的滤波器的帖子的尺寸和间隔，使得分离的职位的距离大约等于一个单元的直径。
   注:特征尺寸的下限是由在其中的光刻掩模被印刷分辨率设置。确保所有的功能都在水库内由掩模供应商指定的olution限制。

2，用品及准备

注:在开始任何实验前，下列项目必须有所准备。整个安装的示意图给出了如图1所示 。

1. 使用标准技术的光刻微^14,15制造设备的主人。验证用轮廓的图案特征的高度。
   注意:当主人可以很容易地制作在洁净室的设施，一些实验室已经开发出廉价的光刻方法用在半清洁的环 ​​境^16,17。
2. 准备气源压力驱动的流动，用压缩空气和空气调节器及配件（ 图1A）序列的坦克。
   1. 设置的空气供给罐或手动调节。
      注:在5％CO ₂的组合物在空气中保持类似的环境作为典型的细胞培养incubatoR，但其它气体的混合物也可以使用。
   2. 设立网上电子控制压力调节器与手动调节。使用一个电 - 气动转换器，调节和维持整个信道的稳定的压力降，以小于2千帕的压力波动。使用LabVIEW编写简单的代码（补充资料）输入所需的压力。
      注:电 - 气转换器使用一个内部反馈环路调节阀出口压力在整个微流体装置在指定的压力相匹配。
   3. 设置一个压力室来驱动流动的细胞悬浮液。组装的细胞悬浮液室走出一个标准的流式细胞仪管，创建于管的压力，密封机械加工的上限。
      注:在压力室盖包含两个孔:一个连接到压缩空气罐的入口和一个出口，通过它从加压室的细胞流入装置（ 造型玩具E 2）。
3. 设置在倒置显微镜配备有相机具有每秒至少100个帧的采集速率来捕获流经缩颈阵列的单元的图像。接口摄像头的视频采集卡和计算机。
4. 制备10％的股票的表面活性剂溶液重量/重量的Pluronic F-127的磷酸盐缓冲盐水（PBS）中，添加少量的F127与细胞培养基溶液将有助于减少细胞粘附到PDMS墙壁。轻轻地在37℃下制备的F127溶液，涡流和加热以溶解F127。在使用前，通过0.2微米的针头过滤器过滤该溶液并储存在室温下。事先准备的涡旋和滤波的表面活性剂溶液会产生气泡，这将持续超过24小时。

3，微流体设备制造

1. 制造与微流体通道的PDMS块。
   1. 混合硅橡胶已仔细1:10 Ta比（W / W）的固化剂，以碱。
   2. 倒在设备主（步骤2.1）的混合物。德加在钟罩与应用真空，直到残留气泡消失，或约10-20分钟。
      注意:在此时间后，可能仍存在的气泡在气 - PDMS接口，这是正常的;这些在烘焙过程中通常会消散。这是最关键的，以确保有相邻的信道没有剩余的气泡。
   3. 烘烤脱气装置在65℃下搅拌4小时。为了防止信道塌陷，烘烤设备过夜，以进一步交联的PDMS的设备有较高的弹性模量大于信道塌陷更有抵抗力。但是，请注意延长烘烤也脆化的PDMS，并可能导致冲孔（步骤3.3）时，开裂。
2. 从母模中取出的微流体装置。切成单个的微流体装置进行的PDMS块用刀片和从桅杆移除装置呃。开始轻轻提起关闭该设备的一个角;缓慢而温和的剥落，而不是解除PDMS块直线上升，降低了双方的PDMS和主应力。
3. 打孔的PDMS设备的油管和微通道之间的连接建立连接的端口。建立使用活检穿孔，并从通道侧，通过对所述装置的外侧冲头。
   注:活检穿孔带0.75毫米缸径与聚醚醚酮产生漏洞，接口完全醚酮（PEEK），管（外径= 32"为0.79毫米）或聚乙烯管（PE-20，外径= 0.043"或1.09毫米）。使用环形灯，以帮助可视化装置孔，浅通道^18。请务必活检冲头锋利;在重复使用后的切削刃变钝和活检穿孔应丢弃并更换。
4. 冲洗的PDMS设备用异丙醇（色谱纯），除去硅橡胶的防尘，提出块。确保打孔是明确的碎片从挤压瓶通过孔指导的纯异丙醇源源不断。吹干以过滤空气。清洁后，将硅橡胶块的渠道面对在一个干净的培养皿中，以保持设备清洁。如果需要的话，存储设备在这个形态直到粘接。
5. 清洁用甲醇（HPLC级）漂洗该玻璃基板上，吹干燥用过滤后的空气，并将其放置在一个200℃的热板中为5-10分钟，以确保玻璃是完全干净的，干燥的等离子处理之前。
   注:将玻璃基板形成各个信道的底部。通常载玻片足够，因为10X或20X的目标是理想的成像多渠道并行。对于更高分辨率的成像，结合该设备盖玻片（＃1.5厚度）。
6. 的PDMS装置粘接到玻璃基板上。
   1. 氧等离子体处理的PDMS块的信道侧和载玻片的1边。
      注:W第i个手持放电单元中，使用1分钟的处理时间，但优化处理时间为每个氧等离子体装置。
   2. 处理后立即将PDMS的玻璃板上的处理过的一侧的顶部的通道侧。
   3. 轻压力〜抱团10秒，以促进结合。烘烤在升高的温度下（60-80℃）下至少15分钟，整个装置，以提高粘接强度。

4，通过狭窄的通道形变细胞

1. 检查在显微镜下微流体装置。确保该信道没有被折叠或破损的和，这两个入口和出口孔直接连接到设备信道通过使用一个低功率物镜（10X）。通过计分用刀片将PDMS的表面缺陷的指定设备，并且不使用他们的实验。
2. 制备的细胞培养物的样品进行测定。使用标准条件培养细胞。
   1. ˚F或例如，培养HL-60细胞在RPMI-1640培养基补充有37℃的1％青霉素-链霉素溶液和10％胎牛血清，5％CO ₂的培养箱中培养。
   2. 对于贴壁细胞，用胰酶消化，重悬在新鲜培养基收获它们。使用标准的胰蛋白酶协议;例如，添加约0.5 ml胰蛋白酶到烧瓶中，用25 ^平方厘米的文化区，并悬浮在〜30毫升新鲜培养基。以每1×10 ⁵个细胞/ ml 5μM的终浓度如前所述^19,20分化的HL-60细胞分化为粒细胞型细胞的全反式维甲酸（ATRA）。
   3. 离心将细胞以300×g离心3分钟，小心吸去上清，重悬细胞，在新鲜培养基中的适当的最终密度为0.1％体积/体积的F-127。
3. 计数用库尔特计数器，血球细胞，或流式细胞仪。调整细胞悬浮液以1×10 ^6〜5×10的密度 6个细胞/ ml。当悬浮液密度设定，补充以大约0.1％体积/体积的F-127。
   注:细胞密度和表面活性剂的浓度，可能需要根据特定的细胞系统中进行修改; 表1提供了以前使用的细胞和F-127的不同类型的细胞浓度的记录。
4. 放置细胞悬浮于流式细胞仪管，并连接到压力盖。之前的管道连接到所述微流体装置，将压力调整至约14〜21千帕，并冲洗，直至细胞悬浮液出现从管道的前端。这将有助于最大限度地减少气泡的管道和设备。
5. 插入含有细胞悬浮液到装置入口的管线的末端。如果该装置被结合到盖玻片，放置在平坦的固体表面上的装置，例如连接管之前的显微镜载物台;盖玻片是脆弱的，并且可以以其他方式损坏。
6. 插入管件的INT澳出口和路线到空管，用于收集废物如空Falcon试管贴在显微镜载物台侧。在实验之间的装置的总流体阻力的一致性，确保入口和出口管道是每个实验相同的直径和长度大致相同的。
7. 轻轻地斜坡上升的压力至约28千帕，或者直到细胞流过的通道。定位装置，使多个信道是在视场和垂直于屏幕的底部。如果相机是通过数据大小的限制，获得多个视频生成独立的数据点数量充足。根据需要调整为所需的数据输出的帧速率。为了捕捉改变细胞形态，使用高速成像在每秒300帧（fps）;测量细胞的转运时间，可使用约100帧的帧速率。

5，数据分析

1. 打开文件肥大er_script.m（可下载的补充文件），然后运行该程序。
2. 选择第一个视频是从出现在Windows资源管理器窗口进行分析。指定的帧速率选择的视频，然后按Enter。
   注:图中就会出现，提示用户选择一个矩形裁剪窗口的第一个视频。
3. 选择包括从左至右的所有通道和交叉的通道的正上方的顶部和底部（ 图3）通道的阵列的第一个灯泡的窗口。
4. 从裁剪图像选择收缩区域。要特别注意保持选定的每个视频顶部和底部的窗口边界之间的固定像素的距离。
   注:上面的窗口边指定最上层收缩和底部的窗口边指定最底部的收缩（ 图4）;中间缢从这个用户的输入近似。接着，该算法显示的Segmentation细胞的每个视频的第一帧50（ 图5）。
5. 监视器的左上角图像（ 图5A）紧密，以确定该算法是精确定位的细胞;的二值化图像被叠加在该源视频演示标识单元格的位置。
   注:不同的窗口（ 图5B-5D）是代码的诊断和论证后，特定的图像处理操作的视频帧。
6. 选择下一个视频可以从Windows资源管理器窗口进行处理。
   注:该算法将重复步骤5.2-5.5为每个选定的视频。
7. 选择取消，一旦所有想要的影片已通过Windows资源管理器窗口中添加了指示功能的视频列表完成。
   注:该算法将没有用户干预的执行剩余的操作。这将需要大约1-2小时，具体取决于视频处理，计算机PE数量rformance。建成后，该算法会产生在途时间数据的直方图，并将数据保存在目录中的一个MATLAB .MAT文件和一个Microsoft Excel xls档案。

Results

研究了不同类型的细胞，人髓性白血病细胞（HL-60），区分中性粒细胞，小鼠淋巴细胞的细胞，和人卵巢癌细胞系（OVCAR8，HEYA8）的变形用"细胞变形器"微流控技术进行评估。对HL-60和中性粒细胞型HL-60细胞的在途时间代表结果表明，该时间表的单细胞中转通过一系列收缩的， 如图6。运输时间测量单个细胞的人口每7微米的收缩在一系列7收缩在28千帕（ 图6）的驱动压力。

如图6，HL-60细胞通过随后的收缩传代之前暂时阻塞所述第一收缩为9.3毫秒的平均时间。相比之下，嗜中性粒细胞型HL-60细胞阻塞之前所述第一缩颈仅4.3毫秒传代。将HL-60细胞的短传输时间是与他 ​​们的减小弹性和粘性模量相一致，如通过原子力显微镜²¹和微吸管²²来确定。这些结果也与mechanoregulating蛋白，核纤层蛋白A的水平降低，通过微米级的间隙^23，其确定电池的通行时间相一致。一旦通过所述第一收缩，细胞中转更快速地通过其余的...

Discussion

下面我们来分析细胞的使用压力驱动流过收缩的微流体通道过境的变形提供了全面的实验过程。用MATLAB脚本实现自动数据处理（补充材料）;该代码的更新版本保持（ www.ibp.ucla.edu/research/rowat ）。更广泛地说，这里提出的技术可以适用于许多基于细胞的微流体分析，包括细胞骨架的^24,23的作用和核硬化剂以及测定癌细胞类型^4,5的变形。具有较高分辨率的显微镜一起图像的亚细胞的变形，这种方法提供了一种有效的方法，来研究细胞的机械性能，并且发生在生理和病理条件下的改变。

全自动细胞处理算法

被收购的电影可以使用MATLAB脚本人为干预进行分析。该算法在图7中所概述，并且该组的MATLAB函数是在补充信息中提供。总之，指示用户选择的所有视频进行分析;裁剪每一个视频的感兴趣区...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Pluronic F-127 嵌段共聚物表面活性剂	费舍尔科技	8409400	由 BASF 生产，也可通过 Sigma
PDMS 基座和交联剂	Essex Brownell	DC-184-1.1	产品通常命名为 Sylgard 184 弹性体
氧气等离子体排放装置	Enercon	Dyne-A-Mite 3D 治疗机
活检冲头，Harris Uni-Core （0.75 mm）	Ted Pella， Inc.	15072
手拧套圈，1/32 英寸	Upchurch	Scientific UP-F-113
手拧 III 接头，10-32	Upchurch Scientific	UP-F-300X
聚醚醚酮 （PEEK） 管，外径 = 1/32 英寸或 0.79 毫米	Valco	TPK.515-25M
聚乙烯 （PE-20） 管，0.043 英寸或 1.09 毫米	Becton Dickinson	427406
压力调节器	Airgas 或 Praxair
聚氨酯管，5/32"OD	McMaster Carr	5648K284
按压连接配件	McMaster Carr	5111K91
电压到压力 （E/P） 电动气动转换器	Omega	IP413-020
16 位，250 kS/S，80 个模拟输入 多功能 DAQ	National Instruments	NI PCI 6225-779295-01
模拟连接器 块螺丝端子	National Instruments	SCB-68-776844-01
LabView 系统设计软件	National Instruments
MATLAB 软件	The MathWorks， Inc.	MATLAB R2012a	代码需要图像处理工具箱
屏蔽电缆	National Instruments	SHC68-68