基于微流体Electrotaxis的，为按需定量分析线虫'LOCOMOTION的
May 2nd, 2013
一个半自动化的微型电流体的方法诱导点播运动线虫进行说明。此方法是基于响应微流体通道内的温和的电场（"electrotaxis）蠕虫的神经生理现象。微流控electrotaxis供应快速，灵敏，低成本，可扩展的技术因素，影响神经细胞的健康屏幕。
该程序的总体目标是识别化学暴露或基因作后 C Allergan 模式生物体中神经元和神经肌肉信号的异常。这是通过首先设计微通道图形并将其蚀刻到硅晶片中来实现的。在第二步中，使用硅模具从 PDMS 铸造一个或多个微通道。
然后将附件组件连接到 PDMS 模具。接下来，使用安装在显微镜上的相机记录蠕虫在刺激下游过微通道时的行为。最终，电微流体用于确定由于化学或遗传作引起的线虫、神经元和肌肉系统的变化，并以运动作为读数。
因此，与现有技术相比，尤其是基于板的行为分析，该技术的主要优点是，使用这种技术，可以严格控制蠕虫的运动方向，从而可以精确量化机车行为，例如身体弯曲频率、旋转时间和游泳速度。这项技术的影响延伸到帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的治疗，因为它可用于筛选具有神经保护特性的化学和遗传因子。当我们意识到缺乏以定量方式分析方法运动行为的方法时，我们第一次有了这项技术的想法。
运动是自愿和随机的，很难描述。因此，我们想建立一种每个人都可以学习的简单方法：制作母模时，首先将 3 英寸的硅晶片浸泡在丙酮中，然后用甲醇浸泡 30 秒。然后用去离子水冲洗晶片 5 分钟。
接下来，使用氮气吹尘枪干燥硅片表面，然后在 120 摄氏度的热板上加热硅片两分钟后，以 50 瓦的功率等离子体氧化硅片表面一分钟。现在使用 3 毫升 SU eight 100 光刻胶以 1， 750 RPM 的速度旋涂晶圆表面 40 秒，然后在 65 摄氏度的热板上预烘烤涂层晶圆。10 分钟后，在两分钟内将温度升高到 95 摄氏度，然后将威化饼再烘烤一小时。
从热板上取下晶圆后，在晶圆上布置所需设计的光掩模。将光刻胶暴露在紫外线下 95 秒。然后在热板上使用与后烘烤后预烤相同的温度梯度将晶圆后烘烤。
将晶圆浸入 SU 8 中。开发 10 到 15 分钟的解决方案。用异丙醇冲洗晶片以确认设计开发完成。
然后用去离子水冲洗 30 秒。最后，用氮气枪干燥威化饼，并在 120 摄氏度下短暂烘烤。现在，将制造的母模和空白硅胶晶片放入两个衬有铝箔的单独培养皿中。
将 20 毫升 PDMS 预聚物倒入母模和培养皿中，将 15 毫升倒入空白晶片培养皿中。接下来，用一次性木制涂抹器轻轻按压威化饼，以消除威化饼下方的任何气穴，然后盖上两个培养皿并放置一天固化。晶片固化后，去除箔片并剥去 PDMS。
然后使用 2.5 毫米的 Harris 独角兽从母模中冲孔 PDMS 中通道两端的流体入口。将两个 PDMS 光盘切成大小相似的条带。然后在洁净室中，将通道、空白 PDMS 试纸条和载玻片装入等离子体氧化器中。
将材料暴露在 40 瓦功率的氧气等离子体中 40 秒。然后将通道片和载玻片粘在空白条的相对两侧，将材料放在一边以完成粘合。两小时后，使用 PDMS 预聚物将两根至少 6 英寸长的塑料管连接到 120 摄氏度的热板上的冲孔储液罐上。
在继续之前，让 PDMS 固化。然后将流体塑料连接器贴在其中一根管子上，以允许注射器连接。现在，将 3 英寸长的 22 号绝缘铜线插入入口管和通道之间的每个储液器中，用更多的 PDMS 预聚物固定电线。
通过将刚刚组装的微通道放在显微镜的 XY 可移动载物台上开始此步骤，并将已安装的相机连接到监视器，将电源连接到微通道电极。确认微通道的电阻在 0.6 兆欧姆左右后，将微通道的输出管连接到一次性注射器上。然后将入口管的入口浸入悬浮在 M nine 生理缓冲液中的线虫溶液中。
在注射器内施加负压，将液体吸入通道中。当入口和出口管都装满时，断开注射器和静压管的连接。通过调整管子的相对高度以将蜗杆放置在通道中心来纵流动。
然后将两根管子平放在相同的高度，以保持微通道内的零流量。在电动出租车实验期间切换蜗杆样品时，将两根入口管调平到相同的高度后，如果仍有流动，请对管子相对于彼此的高度进行小幅调整。如果我们不确定流是否真的为零，我们可以通过改变电场的极性，然后评估蜗杆在转动时的线速度来诱导蜗杆运动的反转。
现在将电源设置为适当的电压。激活电信号并留出一分钟的预曝光时间，让蠕虫适应磁场，在此期间，当一分钟过去时，蠕虫应开始向阴极移动。开始录制。
实验完成后，从通道中取出所有液体和蠕虫。用去离子水冲洗腔室，并将设备放在 125 摄氏度的热板上晾干。在这个具有代表性的视频中，显示了野生型年轻成年线虫电轴及其蠕虫跟踪软件的位置和速度输出。
视频从右侧的阴极开始。玻璃移液器的出现表明移液器信号即将反转，随后被移除。此处的反转时刻，蠕虫的自定义蠕虫跟踪程序的位置与时间和瞬时速度与时间输出的数据在视频中显示，该程序从位置时间曲线计算了速度曲线。
此箱形图显示了来自一组野生型和海沟动物的电速度数据。T 转基因动物在 UNC 54 肌球蛋白重链基因启动子的控制下，在体壁肌肉中表达人 α-突触核蛋白基因，导致蛋白质聚集，表现为比野生型动物慢的电战术反应。一旦掌握，如果电动出租车实验进行得当，每小时可以检测 20 多条蠕虫。
在尝试此过程时，重要的是要记住，只有影响运动或电感觉的突变和化学物质才会产生可通过电税测定检测到的表型。看完这个视频，你应该对如何塑造硅胶图案有了很好的了解。我们组装了微流控通道以及如何使用 axxis 测定分析 N 方法的运动。
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概述
本文描述了一种半自动微电流体方法，用于诱导秀丽隐杆蚯蚓按需移动。该技术利用电轴移动现象，允许快速筛选影响神经元健康的因素。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 微流体学
- 行为分析
背景
- 秀丽隐杆蚯蚓是研究神经元和神经肌肉信号传导的模型生物。
- 电轴移动是对电场的神经生理反应。
- 微流体通道允许对小型生物进行受控实验。
- 理解移动可以揭示神经元健康的洞察。
研究目的
- 识别神经元和神经肌肉信号传导中的异常。
- 评估化学暴露或基因操纵的影响。
- 利用移动作为神经元和肌肉变化的读出。
使用的方法
- 在硅片上设计和蚀刻微通道图案。
- 使用硅模具从PDMS中浇铸微通道。
- 将附件组件附加到PDMS模具上。
- 使用显微镜安装的相机记录蠕虫行为。
主要结果
- 成功地使用电轴移动诱导秀丽隐杆蚯蚓移动。
- 识别神经元和肌肉系统的变化。
- 展示微流体电轴移动作为一种可扩展的筛选方法。
- 对基因和化学操作影响的洞察。
结论
- 微流体电轴移动是神经科学研究的有价值工具。
- 这种方法为研究神经元健康提供了一种低成本和敏感的方法。
- 进一步的应用可以增强对神经肌肉疾病的理解。
常见问题
Executive Industry Relevance
Quantitative locomotion analysis in C. elegans enables high-throughput screening for neuroprotective compounds and genetic modifiers in neurodegenerative disease models. By converting neuronal signaling defects into measurable electrotactic responses, this method supports early target validation and mechanistic de-risking in discovery pipelines. The microfluidic format provides scalable, reproducible phenotypic readouts that improve predictive confidence in lead identification campaigns.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses by linking dopaminergic neuron function to quantifiable locomotion phenotypes.
- Operational Value: Enables rapid assessment of genetic and chemical manipulations affecting neuronal signaling with on-demand electrotaxis stimulation.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by identifying compounds that rescue movement defects in PD models before costly mammalian studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, quantitative outputs such as swimming speed and body bend frequency for assay readiness.
- Operational Value: Facilitates automation potential with microfluidic control of worm positioning and field polarity reversal for reversal time measurements.
- Scalability: Permits screening of over 20 worms per hour, enabling efficient primary screens for neuroprotective factors.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Uses locomotion as a disease-relevant functional readout that correlates with dopaminergic neurodegeneration in C. elegans PD models.
- Mechanistic De-risking: Distinguishes neurotoxic effects from general toxicity by isolating neuronal signaling defects via electrotactic response alterations.
- Biomarker Alignment: Supports translational biomarker development by quantifying age-dependent electrotactic variability in young adults versus larvae.
Pipeline & Workflow Integration
The microfluidic electrotaxis assay integrates into discovery workflows as a phenotypic screening platform between target hit confirmation and lead optimization, providing mechanistic insights on neuronal viability.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of neuroprotective genes and compounds by quantifying locomotor recovery in disease models.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative locomotion metrics that enable Z'-factor assessment and assay robustness evaluation.
- Analytics: Provides time-resolved position and velocity outputs for kinetic analysis of electrotactic response dynamics.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by modeling age-dependent response variations relevant to late-onset neurodegeneration.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for cross-project screening of neuronal modulators across diverse genetic backgrounds and strain backgrounds like C. briggsae.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in neuronal screening by isolating locomotion as a specific readout for neuromuscular function.
- Operational Value: Standardizes worm handling and stimulus delivery, minimizing variability from manual assays and enabling cross-site reproducibility.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by accelerating go/no-go decisions through early phenotypic profiling of neuroprotective candidates.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of hits based on dose-responsive electrotactic recovery in transgenic models expressing human disease proteins.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, including photolithography and PDMS bonding techniques.
- Depends on access to microscope-mounted camera systems and programmable power supplies for precise electric field control.
- Necessitates standardization of worm preparation protocols, including age synchronization and M9 buffer conditioning.
- Involves adaptation considerations when extending the assay to other nematode species or varying channel geometries.
- Limited to detecting phenotypes that affect locomotion or electro-sensation, as confirmed by source material noting that only such mutations or chemicals yield detectable responses.
