本文介绍了一种构建和操作低成本、多通道灌注细胞培养系统的方法,用于测量细胞过程中溶质分泌和吸收速率的动力学变化。该系统还可使细胞暴露于动态刺激条件下。
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本文介绍了一种构建和操作低成本、多通道灌注细胞培养系统的方法,用于测量细胞过程中溶质分泌和吸收速率的动力学变化。该系统还可使细胞暴露于动态刺激条件下。
某些细胞和组织功能在分钟至小时的动态时间尺度上运行,而传统的培养系统难以对此类动态过程进行有效解析。本研究开发了一种低成本的灌流生物反应器系统,可将培养基持续灌流至细胞培养模块,并在下游模块中进行分段收集,从而实现对该时间尺度上动态变化的测量。该系统几乎完全由市售部件构成,可实现并行化操作,从而在传统的多孔细胞培养板中同时开展多个独立实验。本视频文章演示了如何组装基础系统,仅需一台多通道注射泵和一台经改装的组分收集器,即可同时对最多六个培养体系进行灌流。此外,还展示了模块化设计的若干实用变体,可实现对刺激动态的精确控制,例如溶质脉冲或类似药代动力学的浓度变化模式。重要的是,溶质信号在系统中传输时,会因溶质扩散而发生畸变。本文还描述了一种利用示踪剂结合MATLAB测量灌流系统各部件停留时间分布(RTD)的方法。RTD可用于计算多室系统中流动引起的溶质信号畸变程度。该系统具有高度的稳健性和可重复性,基础研究人员无需依赖专业加工设备即可轻松采用。
许多重要的生物学过程在细胞和组织培养中以分钟到小时的时间尺度发生1,2,3。尽管其中一些现象可以通过延时显微镜4、生物发光1或其他方法以自动化方式观察和记录,但涉及收集培养上清液样本进行化学分析的实验通常仍在静态细胞培养中手动完成。由于频繁采样或非工作时间采样操作不便,手动采样限制了某些研究的可行性。静态培养方法的其他不足还包括难以实现对化学刺激物的受控、瞬时暴露实验。在静态培养中,刺激物必须手动添加和去除,刺激模式仅限于随时间发生的阶跃变化,同时换液过程也会非特异性地添加或去除培养基中的其他组分,从而以不可控的方式影响细胞5。流体系统可克服这些挑战,但现有设备存在其他问题。微流控装置需要昂贵的专用设备和操作培训,成本高昂,且样品处理依赖于微分析方法,灌注后细胞也难以从装置中回收6。目前为本文所述类型实验开发的宏流控系统较少7,8,9,10,且通常由多个自制定制部件组装而成,需要多个泵或组分收集器。此外,除用于悬浮培养的搅拌罐式生物反应器(适用于生物制造)外,作者尚不知有任何 commercially available 的宏流控灌注细胞培养系统专门用于生理建模与研究。
作者此前报道了一种低成本灌注生物反应器系统的设计,该系统几乎完全由市售部件组成11。该系统的基本版本可在CO2培养箱中同时维持多孔板中的多个培养体系,并通过注射泵持续向培养物灌注培养基,同时利用经定制改造的组分收集器,自动将来自培养物的流出液随时间分馏为多个样品。因此,该系统可实现对培养基上清液的自动化取样以及持续向培养物供给溶质。该系统为宏观流体、模块化设计,可根据新型实验设计的需求进行便捷调整。
本文所介绍方法的总体目标是构建、表征并使用一种灌流细胞培养系统,该系统可用于测量细胞随时间的物质分泌或吸收速率,和/或使细胞暴露于精确且瞬时的溶质信号的实验。本视频文章详细说明了如何组装基础装置,该装置利用单个注射泵和改装的组分收集器,可同时对最多六个细胞培养物进行灌流。此外,还介绍了两种基于该基础系统的实用变体,这些变体通过增加泵和其他组件,使实验能够向细胞施加瞬时的溶质浓度信号,包括短暂脉冲和类似药代动力学的浓度曲线12,如图1所示。

图 1:灌流系统设计的三种变体。 (上)基本的灌流系统。(中)带有可切换多种培养基来源的旋塞阀的灌流系统。(下)带有搅拌罐以模拟充分混合的分布容积的灌流系统。请点击此处查看该图的放大版本。
由于流动过程中存在分散和扩散现象,溶质信号在流经流动系统时会发生畸变或“展宽”。这种畸变可通过停留时间分布(RTD)进行量化13。本文介绍了如何在灌注系统的各个组件上开展示踪实验(图2),并提供了从实测数据生成RTD的MATLAB脚本。有关该分析的详细说明,可参见作者此前发表的论文11。此外,还提供了其他MATLAB脚本,用于对RTD拟合适当的函数、提取物理参数,以及利用RTD进行信号卷积,以预测用户输入的溶质信号在灌注系统中的传播与畸变过程14。

图 2:停留时间分布。 通过向系统中注入示踪剂脉冲,并测量其流出至收集的组分中时的“扩散”程度,可测定流动系统组件(如此段管路)的停留时间分布(RTD)。本图经 Erickson 等人11 修改。 请点击此处查看此图的放大版本。
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1. 准备用于孔板灌流的部件
2. 使用激光切割多头分液器并将其连接至组分收集器
3. 测量组分RTD并进行信号卷积
4. 在孔板中建立含细胞的基础灌流系统
5. 使用三通阀为多个培养基来源设置灌注系统
6. 建立带有搅拌罐的灌注系统以模拟药代动力学

图3:多头分液器。 激光切割多头分液器的设计图。该图已根据 Erickson 等人11 的内容修改。 请点击此处查看此图的放大版本。
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采用第5节方案中具有多个培养基来源的灌注系统,检测人胚胎肾293(HEK293)细胞中由活化B细胞核因子κ轻链增强子(NF-κB)转录因子驱动的报告基因在肿瘤坏死因子α(TNF-α)刺激1.5小时脉冲下的表达动态。通过慢病毒载体将含有高丝氨酸荧光素酶(GLuc)基因的构建体稳定转导至HEK293细胞,该构建体由包含NF-κB反应元件的NFKB启动子驱动,从而构建NFKB-GLuc HEK293细胞系,并进行分选 通过 采用荧光激活细胞分选(FACS)分离转导细胞。分选后的细胞冻存备用。
对于每种灌注培养,灌注系统包括一段1 m长的上游管路,连接至装有细胞的封堵式48孔板,随后接1 m长的下游管路,通向多头馏分收集器,流速为0.5 mL/h(0.0083 mL/min)。使用0.5 mL/h的流速和20 min的示踪剂脉冲,分别测量了仅含1 m管路以及完整装置(1 m管路 + 48孔板 + 1 m管路)的停留时间分布(RTD)。背景溶液为去离子水,示踪剂溶液为溶于去离子水的蓝色食用染料,利用多头分液器以每小时1个馏分的速率收集馏分。采用酶标仪测定各馏分100 μL样...
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本研究描述了一种具有多个培养基来源的灌注细胞培养系统的组装与操作,并通过一个具体实例进行了演示:测量细胞在短暂的TNF-α脉冲刺激下,NF-κB驱动的基因表达动态变化。实验测定了灌注系统各组件的停留时间分布(RTD),并建立了数学模型,采用信号卷积方法预测细胞所经历的TNF-α脉冲暴露情况以及收集的流出液培养基组分中TNF-α的分布。细胞接受脉冲刺激后,连续收集流出液组分达40小时,随后测定各组分中的GLuc含量,并将其与预测的TNF-α信号并列绘图,从而揭示刺激与响应之间的动态关系。
这种灌注方法并非没有缺点。值得注意的是,由于在培养箱内完成设置后需将管路连接至培养板,这一关键的短暂步骤会带来无菌风险。根据作者的经验,污染情况相当罕见;尽管如此,仍可通过以下方式降低污染风险。首先,所有细胞操作步骤和无菌连接均应在生物安全柜中进行。另一个可考虑的额外预防措施是在细胞培养物入口处串联一个0.22 μm的注射器滤器以提高无菌性。使用无菌过滤可在培养基进入细胞培养体系前截留其中的细菌或其他较大的微生物,但该方法会增加驱动流体流动所需的压力,并可能因膜污染而导致堵塞。此外,流出的样品目前仍...
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作者声明无竞争利益。
本研究在国立卫生研究院资助下进行,资助编号为 R01EB012521、R01EB028782 和 T32 GM008339。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 293T细胞 | ATCC | CRL-3216 | 代表性实验结果中使用的HEK 293T细胞。 |
| 康宁96孔透明底板 | VWR | 89091-010 | 用于RTD实验中染料浓度测定以及代表性实验中GLuc检测的微孔板。 |
| BD 带鲁尔锁扣头的5 mL一次性注射器 | Fisher Scientific | 14-829-45 | |
| Bio-Rad BioFrac组分收集器 | Bio-Rad | 7410002 | 可用于单一流路的组分收集,或通过我们的方法改造后实现多流路同时收集。 |
| 透明高强度抗紫外线亚克力板,12" × 12" × 1/8" | McMaster-Carr | 4615T93 | 根据补充材料中的DXF文件使用激光切割机制作多头分配装置,可连接至BioFrac组分收集器。 |
| 天然腔肠素 | NanoLight Technology | 303 | 在代表性结果的海肾荧光素酶生物发光检测中使用的底物。 |
| 康宁Costar TC处理多孔培养板,48 孔,聚苯乙烯材质,平底孔 | Millipore Sigma | CLS3548 | 用于在代表性结果实验中培养和灌注293T细胞。 |
| 康宁 Costar平底细胞培养板,12孔 | Fisher Scientific | 720081 | 可密封用作搅拌罐,以在灌注过程中生成药代动力学曲线,也可用于容纳灌注细胞。 |
| DMEM,高糖 | ThermoFisher Scientific | 11965126 | |
| Epilog Zing 24激光切割机 | Cutting Edge Systems | Epilog Zing 24 | 用于从亚克力板切割制作多头分配装置的激光切割机,也可使用其他型号的激光切割机。 |
| Fisherbrand一次性无菌注射器,鲁尔锁扣,20 mL | Fisher Scientific | 14-955-460 | |
| Fisherbrand一次性无菌注射器,鲁尔锁扣,60 mL | Fisher Scientific | 14-955-461 | |
| Fisherbrand Premium微量离心管:1.5 mL | Fisher Scientific | 05-408-129 | 用于收集组分的微量离心管。 |
| Fisherbrand 圆底一次性硼硅酸盐玻璃管,平口端 | Fisher Scientific | 14-961-26 | 用于收集组分的玻璃管。 |
| Fisherbrand SureOne Micropoint移液器吸头,通用型,无滤芯 | Fisher Scientific | 2707410 | 300 µL移液器吸头,最适配多头分配装置和管路,作为分配吸头使用。 |
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| Masterflex接头,聚碳酸酯材质,直型,雌性鲁尔接口 × 端帽;25个/包 | Masterflex | UX-45501-28 | |
| Masterflex接头,聚丙烯材质,直型,雌性鲁尔转软管接头,1/16" | Cole-Parmer | EW-45508-00 | |
| Masterflex接头,聚丙烯材质,直型,雄性鲁尔锁扣转软管接头,内径1/16" | Cole-Parmer | EW-45518-00 | |
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| Masterflex L/S精密泵用管路,铂固化硅胶,L/S 14规格;25英尺 | Masterflex | EW-96410-14 | |
| MATLAB | MathWorks | R2019b | 版本R2019b。更新版本也可使用,部分较早版本可能兼容。 |
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| 支架组件F1 | Bio-Rad | 7410010 | 用于在组分收集器中固定收集管的支架。 |
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