我们提出了一种在表面上对活细胞单层进行减法图案化的协议。这是通过使用微流体探针 (MFP) 对贴壁细胞进行局部和选择性裂解来实现的。从局部区域提取的细胞裂解物可用于下游分析,从而实现分子分析研究。
方法文章
我们提出了一种在表面上对活细胞单层进行减法图案化的协议。这是通过使用微流体探针 (MFP) 对贴壁细胞进行局部和选择性裂解来实现的。从局部区域提取的细胞裂解物可用于下游分析,从而实现分子分析研究。
微流体探头(MFP)有利于通过限制液体纳升体积进行生物基化学地方。利用一种特定实现MFP的,分层的流体动力流体密封(hHFC)的,多种液体在与基底接触的同时带来了。使用hHFC当地的化学作用和液体成型,被利用,被当地裂解和去除细胞创建小区模式。通过利用MFP的扫描功能,创建细胞单层的用户定义的模式。这个协议允许快速,实时和空间控制的小区图案形成,其可允许选择性细胞 - 细胞和细胞 - 基质相互作用的研究。
在他们的本地环境中,细胞在生物组织中感知一系列生物化学和物理线索指导他们的成长,组织和发展。理解这些线索需要细胞 - 细胞和细胞 - 基质相互作用的选择性调查。这就需要对图案形成细胞单层方法的发展。方法培养(图案)几何独立不同的细胞类型的能在细胞生物学的物理和化学线索广泛的研究。最让图案细胞层当前的办法1 - 4取决于表面上沉积细胞粘附蛋白或使用微制造的模具在衬底上选择性生长。与此相反,在这里我们提出了一个方法来快速原位图案细胞单层, 即 ,将细胞在培养,通过在单层的选择区域中去除细胞。 9 usua -执行这样的减法图案5种方法LLY需要专门基板,表面处理,操作复杂,物理接触或消融使用激光,无意中影响活细胞。我们在这里使用的微流体探针(MFP)10,11,一个非接触式扫描微流体技术,流体动力地限制在衬底上的液体。在MFP中的一个重要组成部分是含微通道的微加工头( 图1)。相关平台由注射泵为液体控制阶段的扫描控制和可视化和反馈( 图2)的倒置显微镜。在其基本配置中,MFP头包括在顶点2微通道有孔,一个用于喷射处理液和其它用于与一些浸没液体( 图3A)一起抽吸注入处理液。期间的MFP操作中,顶点是在从基板的固定距离。当吸流量(QA)是sufficiently比喷射流量(Q i)中 , 也就是更高,Q 一个 : 数 Q i≥2.5,则处理液体被限制在衬底上。这导致了流体动力流动限制烃(HFC)。在其中处理液是在与基片直接接触的区域被称为足迹。对典型的操作条件时,处理液的HFC内的流的特征在于低的雷诺数(Re≈10 -2)和高的Peclet数(PE≈10 2)。这意味着流动液体在层流制度与对流是化学物种的质量传递的主要方式。流量限制数值和分析模型在别处描述12 - 14。
在本文中,我们使用的同时限制多个处理液体的方法,这就是所谓的分层HFC(hHFC)14。为了与MFP实现hHFC,二additiona需要升小孔提供注塑和愿望的次要来源。这使我们能够第二液体内限制一个液体。从内(处理)液体好处从杂散碎屑屏蔽由外(屏蔽)液体在衬底上。此外,hHFC允许以两种模式操作:(i)所述的嵌套模式,其中在所述内的HFC接触表面( 图3B),和(ii)的捏模式,其中内液体失去处理液接触,并只有外液是在与基板( 图3C)接触。两种模式之间的切换,用户可以影响或停止处理基板,并通过控制头-表面间隙或通过改变喷射流之间(Q i2的 / Q 的i1)的比率来实现的。对于给定的信道的几何形状,处理液的基板上的足迹可以通过调节流动条件( 图3D)来控制。 HYDR钠氧化物氢氧化钠(NaOH)用作内处理液来裂解细胞,并且裂解物连续地从表面吸出。因为处理液的化学作用被定位于内的HFC足迹,相邻细胞保持未被干扰,这允许细胞 - 细胞相互作用的时空研究。 MFP的扫描功能允许( 图4)的单元图形用户定义的几何形状的创建。此外,使用NaOH作为处理液的选择可容纳下游DNA分析( 图7)。
1. MFP头部和平台的清理和准备
注:此协议使用垂直取向硅钢玻璃混合MFP头15,16。头部的硅成分包含微通道,这是蚀刻的100微米的深度。蚀刻的硅阳极使用粘接接合到玻璃上。信道设计包括由六个信道,每两个用于注射和抽吸,和两个用于注入浸泡液体( 图1)的图案。用于注射浸液渠道补充媒体围绕生物样品,这样可避免因误吸和蒸发损失。的内部通道,并在当前工作中使用的外通道是100×100微米,分别为200×100微米。得到后加工和加工,具有明确的渠道和抛光顶点MFP头。
2.创建层次水力流体密封(hHFC)
3.图案细胞单层使用hHFC
注意:扫描图案确定在何处将细胞中提取的细胞单层(减色图案形成)的区域,留下剩余的细胞,以研究特定生物的问题。这个图案可以是直线或点的阵列,例如。复杂的图案需要一个合适的扫描轨迹设计。例如,一个方格扫描轨迹提供小区区域的网格( 图4A中所示,例如的),这将使研究不同刺激的作用,对细胞在不同的方格,而在近距离内。这些模式可以用在平台上,在控制软件允许为MFP头在细胞单层扫描轨迹的脚本的XY阶段控制来创建。
4.下游加工的取样和DNA扩增
对细胞单层的快速减色图案形成所描述的协议是使用一个多组分的MFP平台( 图1和2)证实。该协议采用分层流体动力流体密封(hHFC; 图3)局部治疗和用NaOH作为处理液体从单层细胞去除细胞。在hHFC构造包括内HFC和外HFC。在内部hHFC密闭的NaOH介绍了接触的细胞化学作用和剪切。在此足迹,将细胞均匀暴露于氢氧化钠的化学作用,由于内和具有可忽略的扩散的限制外的区域对流驱动的传质。关于另一方面,细胞的剪切,可以通过改变氢氧化钠的流速被改变。为了简化操作参数中,我们选择使化学作用细胞去除的主要机制相比于剪切。至估计的表面上由hHFC施加的剪切力,有限元模型是使用COMSOL多物理5.0构建的。模拟采用CFD模块的层流运行。被应用在当前示范使用流速和孔尺寸的范围内的两个入口边界条件,以几何的喷射孔和两个出口边界条件的抽吸孔( 图5)。在所获得的模型时,流程规则所决定的剪切型面,而流率所限定的表面上的剪切的幅度。实际上,这两者的组合确定是否hHFC接触的表面上。牢记这些因素,我们开始寻找一个流量范围内进行操作,以获得化学占主导地位的细胞去除。要创建hHFC,我们总共使用愿望的注入3.5流速比的流规则。所使用的其他流规则被定义,以尽量减少抽吸通道内堵塞,这可以通过变性蛋白质附着在通道表面所引起的。使用开发的模型,我们发现流速为5〜10微升/分钟翻译到剪切应力1和3牛顿/米2之间。未经氢氧化钠的化学作用,例如在提取缓冲液的情况下,剪切应力不会高到足以除去细胞19。内观察到的范围内,我们注意到由于在低抽吸流速( 即 ,Q I2 <4微升/分钟),由于在通道中的细胞碎片的流动路径的扰动在较高流速在操作更加实用。
考虑所研究的剪切轮廓和实际的考虑,6和8微升/分钟的NaOH流速(Q I2)被用于图案形成实验和Q I1,Q A1和Q A2根据在图3所示的流规则。比注射流(Q I2 / Q I1)允许üs至进一步调节hHFC足迹( 图3D和图4B)的大小,与由Autebert 等人 14阐述的基本原则。使用加上MFP平台的高分辨率扫描能力hHFC的液体整形的能力,我们展示了活细胞并网发电多尺度,进而表现出在发展联合培养( 图4C)给定协议的应用程序。
该平台还使我们能够为下游分析样品进行裂解检索。来显示所获得的溶胞产物的质量,我们采样本地裂解的细胞从一到五的足印在两个独立的实验中,显示出在从裂解物( 图7)得到的DNA的量的变化。在这里,我们使用扩增β-actin的引物(正向包含DNA的裂解液:GGATGCAGAAGGAGATCACT和反向:CGATCCACACGGAGTACTTG使用4μl的在每个PCR反应的中和的裂解物)。

图1. 模块的MFP平台和头。(A)平台的业务模块包括电动注射器,电动平台和控制器。 MFP连接到机动化的Z阶段来控制头和衬底之间的间隙距离,和衬底保持器被连接到X和构成扫描系统的Y机动阶段。 (B)中的MFP的头具有流体通路连接泵站,安装孔安装头部上的Z阶段和渠道离开抛光顶点。顶点被设置共面的细胞培养基材。当顶点和基板是共面的,并在接触可以观察到的对称牛顿环。 p_upload / 54447 / 54447fig1large.jpg"目标="_空白">点击此处查看该图的放大版本。

图2. MFP平台。高分辨率扫描平台配备有加工头保持器与高精度机动Z-工段接口。衬底支架被连接到XY台用于扫描目的。对于溶胞产物用于下游分析的恢复中,3D印刷采样站磁夹到衬底支架(在插图示出)的一侧。注射泵,倒置显微镜,控制器和显示器都位于平台周围。 请点击此处查看该图的放大版本。
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图3.分层流体动力流体密封(hHFC)的细胞去除的空间和时间的控制。(A)单HFC示意图。 (B)的嵌套和(C)hHFC操作捏模式。足迹两个不同的注射/抽吸流率(D)图像。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4.使用MFP细胞单层模式。(A)单元网发电通过在MDA-MB-231细胞单层MFP的编程扫描。细胞用绿色细胞示踪染料染色。 (B)对于不同的喷射比的足迹( 正)上的MCF7细胞单层。的示意图示出了与在正的变化内的HFC的形状的预期的变化。 (C)图案共培养紧跟着在减去地区播种MDA-MB-231细胞MCF7单层消减图案。 请点击此处查看该图的放大版本。

施加hHFC。上直线与内喷射流量的面增大的剪切应力时,表面上的图5的剪切应力 。最高剪切点被两个内孔(右下小图),其中,所述处理液体被限制(红色流线,左上小图)之间找到。在有限元模型中使用的孔径尺寸为200,100,100和200微米为I1,I2,A1和a2分别。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6.在MFP平台的操作模式来执行细胞去除和图案化。用于通过细胞裂解减色图案形成的流路(A)的示意图。为简单起见,仅在每次注射和抽吸流路中的一个被示出。注射器中使用的是泵的排水阀填补。 i1和i2分别用于注射提取缓冲液和NaOH,。流路(B)的示意图用于裂解物回收。该流动路径被使用(A)中的流路的分析细胞裂解物的收集之后被激活。 请CLICķ此处查看该图的放大版本。

DNA的使用qPCR细胞裂解物图7.下游分析。在溶胞产物的DNA从5脚印(5 FP)和1足迹(1 FP)萃取的(A)的扩增曲线。对照裂解液收集这两种情况后提取。 (B)熔体从表示所提取的DNA的质量裂解物扩增的DNA的曲线。定量PCR进行(N = 2,N = 3)扩增β-actin的基因。 请点击此处查看该图的放大版本。

图S1。通道设计的缩放图像的6声道MFP头执行hHFC用于形成图案的实验。频道是200,100,100,200微米宽和100微米深。在最外面的两个通道,及时补充浸液是500微米,宽100微米深。对于相同设计的一个GDS文件已被提供作为辅助这篇文章。 请点击此处查看该图的放大版本。
我们提出了一个通用的协议,用于细胞单层的减色图案化,使快速产生的空间限定单元图形。细胞单层的选择性裂解使用NaOH作为hHFC处理液进行的。该NaOH瞬时变性包含在细胞膜中的蛋白质。我们建议使用氢氧化钠50 mM的浓度,以保证裂解下游加工。该浓度可以为更快速细胞除去增加,提供裂解物下游加工是不是目的。在hHFC确保了细胞单层的未处理周围区域保持不受影响,并且可用于通过扩展图案或探测单元的其它性质。
细胞去除的速率是由流呈现的化学和剪切两者的函数。我们选择流率的操作范围有化学占主导地位的细胞去除。 20&# - 10扫描速度181;米/使用的6氢氧化钠喷射流量秒 - 8微升/分钟用于促进'快速'减色图案化。细胞去除的速度迅速解决所面临的表面印刷了一些挑战基于图形化方法20,21。这些方法需要一个机制,以限制在空间上定义的区域的细胞的生长,例如,通过经由微接触印刷和细胞随后接种以获得图案细胞粘附蛋白的选择性沉积。它们是由低吞吐量的限制,并需要对图案生成几个连续步骤以及为每个图案的新模版/印章。所描述的方法并不需要上定义的区域的细胞的选择性生长,并通过执行相反印刷减色构图克服若干限制,同时不需要的细胞培养基材的任何额外的处理。
有了这个文件中提出的协议,吞吐量图案的细胞单层增加,同时获得所产生的图案的即时视觉反馈。这便于图案的实时修改。这样的控制可能在方案中的给定表面上的细胞活力是不均匀的关键。该方法的另一个优点是,相同的头部和化学可用于生成多个模式,从而减少了参与生成有图案的细胞单层的步数。
在头部的通道和头几何形状的尺寸可以根据应用的要求进行调整,从而使在图案形成的分辨率控制。使用的MFP头具有固定孔的尺寸与内孔在100×100微米的孔和侧孔,在200×100微米的进行在当前的工作所有实验中,具体。之所以选择这样的设计具有更大的外侧孔,以确保hHFC的连续操作而不被堵塞的孔的杂散细胞碎片。我们已经与内孔尺寸测试头50×50微米以及它们之间的50微米的间距,与细胞去除成功的结果。使用更小的孔,下降到10×10微米与10微米的间距,将允许缩放到更小的体积大小(〜30×30微米),从而使在图案形成更高的分辨率。我们观察到的业务问题与孔径尺寸小于10微米,由于从微粒堵塞。因为这样的操作上的困难,100微米是分辨率的电流限制,因此所描述的技术的限制。然而,我们也可以使用hHFC的液体成形能力解决这一问题。我们已经证明,细胞去除的分辨率可以通过控制Q I2 / Q I1被调谐为一组给定的光圈尺寸( 图4b)和顶点到基板间隙10,14。在目前的工作中使用的阶段具有100nm的最小步长。这些控制参数的组合可以提高细胞去除在封装尺寸和扫描距离方面的空间分辨率。
如果图案化的共培养物所需的研究不同细胞类型之间的特异性细胞 - 细胞相互作用,可以使用所描述的协议来执行顺序的播种和图案化。最后,可从裂解物通过DNA中的单数峰获得的高质量扩增的DNA,如明显熔化曲线( 见图7)。我们评估的周围1.6从单足迹(约300个细胞)使用qPCR,这是接近理论预期(6-8皮克/细胞)纳克的DNA量。这表示适于几个下游过程而避免使用任何DNA分离方法提取的DNA的量。这开辟了途径DNA的分析为基础的地方培养细胞的探测。 hHFC的塑造液体的能力也可用于沉积上交流活细胞和蛋白质tivated表面,其在与该协议提出的减色图案和顺序共培养组合能够对培养基材复杂的细胞和细胞 - 基质的图案的创建。多功能性和细胞单层的基于hHFC,消减图案和表演上提取的细胞DNA分析的可能性提供的控制,提供了一个强大的新工具设置为生物学家执行涉及细胞的相互作用空间分辨的研究。
作者没有什么可透露的。
这项工作得到了欧洲研究委员会 (ERC) 启动资助的支持,在第 7 个框架计划(项目编号 311122,BioProbe)下。我们感谢 Julien Autebert 博士和 Marcel Buerge 博士在协议和平台开发过程中提供的技术援助和讨论。Petra Dittrich 教授(苏黎世联邦理工学院)、Bradley Nelson 教授(苏黎世联邦理工学院)、Bruno Michel 博士和 Walter Riess 博士因其持续的支持而受到认可。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 材料 | |||
| 微流体探针 (MFP) | 硅/玻璃混合探针头,带有硅图案化的通道。在 IBM Research 内部完成制造 - Zü丰富的 | ||
| Lab Tek II 腔室载玻片,带 2 个腔室 | ThermoFisher scientific,美国 | 154461 | 用于细胞培养的 2 腔室载玻片,每个腔室提供 4 cm2 的面积,能够容纳高达 3 ml 的培养基体积 |
| 化学品和细胞系 | |||
| 氢氧化钠, Tris-Cl、乙二胺四乙酸、罗丹明 B | SigmaAldrich 化学品,美国 | S5881,252859, E9884, R6626 | 用于加工和屏蔽液体的化学品 |
| 蛋白酶 K | Qiagen,德国 | 19131 | 蛋白酶,用于消化脱离蛋白质 |
| Deconex 16 Plus | Bohrer Chemie,瑞士 | 用于唇腔消耗品的通用清洁剂。用于非严格清洁。 | |
| 脱离 DNA | ThermoFisher scientific,美国 | 7010 | 使 DNA 和 DNA 酶变性的表面去污剂。 |
| DMEM,高葡萄糖,GLUTAMAX 补充剂 | ThermoFisher scientific,美国 | 10566-016 | 上皮细胞培养基。 |
| CellTracker Green CMFDA 染料 | ThermoFisher scientific,美国 | C7025 | 膜通透性活细胞标记染料。染料活性 72 小时。 |
| CellTracker Orange CMRA 染料 | ThermoFisher scientific,美国 | C34551 | |
| β-肌动蛋白基因组引物,用于 qPCR | 的 集成 DNA 技术,美国 | 用于 DNA 质量验证和 qPCR 的定制寡核苷酸。 | |
| MCF7 乳腺癌细胞 | ATCC,美国 | ATCC HTB-22 | 细胞系,用于生产共培养物。 |
| MDA-MB-231 乳腺癌细胞 | ATCC, 美国 | ATCC HTB-26 | |
| <强>设备和流体连接 | |||
| 电动高精度平台 | 定制加工组件。德国 LANG GmBH 的直线轴电机 | 的定制直线轴平台 | ;LT 用于 3 轴。LSTEP 控制器用于通过 RS 232 端口连接平台和 PC。 |
| 注射器 | 瑞士汉密尔顿 | 1700 TLLX 系列 | 可与其他制造商提供的注射器互换,具有 250-500 µl 范围。 |
| Nemesys 低压注射泵 | cetoni GmbH,德国 | 站组件。 | |
| 圆形 M1 连接器 | Dolomite 微流体,英国 | 3000051 | MFP 头部和管道中通孔之间的接口 |
| 倾斜/旋转平台测角仪 | OptoSigma,美国 | KKD-25C | 测角仪,用于调整 MFP 顶点 |
| DS Fi2 高清彩色相机 (CCD) | 瑞士尼康 | 使用 DS-U3 控制器控制 unit | |
| Software | |||
| Win - Commander | LANG GmBH,德国 | 舞台控制软件。 | |
| Qmix Elements | cetoni GmbH,德国 | 泵控制软件。 | |
| NIS Elements | Nikon, Switzerland | 用于图像采集和分析的基础研究模块。 | |
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