Ein innovatives Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Geräten mit Polyethylenterephthalat (PET)-Laminierung reduziert die Kosten und die Komplexität des Einfangens und der Bildgebung mehrerer lebender Zebrafischembryonen erheblich.
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Methodenartikel
Ein innovatives Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Geräten mit Polyethylenterephthalat (PET)-Laminierung reduziert die Kosten und die Komplexität des Einfangens und der Bildgebung mehrerer lebender Zebrafischembryonen erheblich.
Zebrafischembryonen sind transparent und eignen sich daher hervorragend für die nicht-invasive intravitale Bildgebung grundlegender Prozesse, wie z.B. der Wundheilung und der Immunzellmigration. Mikrofluidische Geräte werden für das Einfangen verwendet, um die Langzeitbildgebung von mehrzelligen Organismen, einschließlich Zebrafischen, zu unterstützen. Die Herstellung dieser Geräte mittels weicher Lithografie erfordert jedoch spezielle Einrichtungen und Kompetenzen im 3D-Druck, die möglicherweise nicht jedem Labor zugänglich sind. Unsere Adaption eines zuvor entwickelten, kostengünstigen Polyethylenterephthalat-Laminierungsverfahrens für die Konstruktion von mikrofluidischen Geräten erhöht die Zugänglichkeit, indem es Design, Herstellung und Iteration für einen Bruchteil der technischen Investitionen herkömmlicher Techniken ermöglicht. Wir verwenden ein Gerät, das mit dieser Methode hergestellt wurde, den Rotational Assistant for Danio Imaging of Subsequent Healing (RADISH), um die medikamentöse Behandlung, manuelle Verwundung und Langzeitbildgebung von bis zu vier Embryonen im selben Sichtfeld zu ermöglichen. Mit diesem neuen Design gelingt es uns, grobe morphologische Merkmale des Kalziumsignals um Laserablations- und manuelle Durchtrennungswunden für mehrere Embryonen in den 2 Stunden unmittelbar nach der Verletzung sowie die Rekrutierung von Neutrophilen am Wundrand für 24 Stunden zu erfassen.
Die Fähigkeit, angemessen auf Verletzungen zu reagieren, ist entscheidend für das Überleben jedes Organismus auf jeder Ebene, von einer einzelnen Zelle bis hin zu mehreren Geweben. Die Verwundung und die damit verbundenen Reaktionen, wie z.B. die Rekrutierung von Phagozyten in geschädigte Areale1, sind daher wichtige Themen in der Zell- und Gewebebiologie. Wunden werden unmittelbar nach dem Durchbrechen der Gewebebarriere ertastet, was zu einer Gewebegradientenreaktion mit Wundkontraktion 2,3 führt, die die Wundheilung und das anschließende Nachwachsen koordiniert4. Aufgrund der mechanischen Natur dieser Kontraktion dürfen Werkzeuge, die während des Experiments verwendet werden, die Bewegung der Zellen in der Nähe der Verletzungsstelle nicht physisch behindern.
Zebrafischembryonen sind aufgrund ihrer Pflegeleichtigkeit, genetischen Rückverfolgbarkeit und optischen Transparenz ein hervorragendes Modell für die Untersuchung von Entwicklung und Krankheit, einschließlich der Wundreaktion von Wirbeltieren. 5,6. Es ist jedoch erforderlich, den gesamten Organismus über einen längeren Zeitraum zu immobilisieren, um das längerfristige Verhalten von Zellen in der Nähe einer Verletzungsstelle zu untersuchen. Die Einbettung von Embryonen in niedrigschmelzende Agarose ist ausreichend für die kurzfristige Bildgebung von unverwundetem Gewebe. Die umgebende Gelmatrix schränkt jedoch die Kontraktion und Entspannung der Wunden ein und behindert das Wachstum der sich entwickelnden Embryonen im Laufe der Zeit 7,8,9.
Mikrofluidik-Geräte können Zebrafischembryonen in verschiedenen Entwicklungsstadienimmobilisieren 10,11,12,13,14,15,16, und einige, wie z.B. das zWEDGI7, ermöglichen manuelle Wunden. Es gibt jedoch einige Nachteile bei den verfügbaren Gerätedesigns. So sind beispielsweise viele Geräte, die direkt auf Kunststoff gedruckt werden, aufgrund der schlechten optischen Transparenz nicht mit der Bildgebung auf inversen Mikroskopsystemen kompatibel. Darüber hinaus ermöglichen parallele Kanäle eine Mehrpositionsbildgebung10,11, aber die physikalische Bewegung des Mikroskoptisches führt zu einer Verzögerung bei der Bildaufnahme. Wiederholte Iterationen und Optimierungen zur Lösung dieser Probleme sind schwierig, wenn man die finanziellen und technischen Investitionen berücksichtigt, die für jedes neue Design erforderlich sind, insbesondere für die aktuellen Goldstandardmethoden zur Herstellung von Geräten mit weicher Lithographie aus Polydimethylsiloxan (PDMS). Der allererste Schritt, die Erstellung einer Urform, erfordert oft Kenntnisse in 3D-Modellierungssoftware, Zugang zu speziellen Fertigungsgeräten und (je nach verwendetem Material) eine zusätzliche Antiadhäsionsbehandlung wie Silanisierung, bevor die Form überhaupt verwendet wird. Das Aushärten des PDMS dauert nach dem Gießen mindestens eine Stunde bei hohen Temperaturen und muss in der Regel unter einem Vakuum oder mit einer Klemme erfolgen, um beste Ergebnisse zu erzielen, oft in einem Reinraum 7,17,18. Wie in der Entwicklungsbiologie können sich diese Kosten bei Experimenten, die viele einzigartige mikrofluidische Umgebungen über mehrere Modelle hinweg erfordern, schnell als unerschwinglich erweisen.
Von den verfügbaren alternativen Baumaterialien ist Polyethylenterephthalat (PET) langlebig, ungiftig und leicht zu handhaben. PET-Platten sind weit verbreitete Kunststoff-Laminierbeutel, die in den meisten Bürobedarfsgeschäften erhältlich sind und mit voraufgetragenem, thermisch aktiviertem Klebstoff (in der Regel Ethylenvinylacetat) versehen sind. Durch das Formen dieser PET-Platten mit handelsüblichen Bastelschneidern (d. h. computergesteuerten Schneideplottern, die für Heimwerker entwickelt wurden) und das Aneinanderkleben der Schichten mit Standard-thermischen Laminiergeräten kann schnell eine breite Palette potenzieller Designs generiert und iteriert werden. Wir haben daher eine zuvor beschriebene Bemessungs- und Konstruktionsmethode mit gestapeltem PET18 angepasst, um das Rotational Asistant für dieD anio matierung von Ssupra keent Healing (RADISH) zu schaffen (Abbildung 1A,B). Eine rotierende Anordnung mehrerer annähernd keilförmiger Rückhaltekanäle optimiert die Nähe und bietet gleichzeitig Raum für eine manuelle Schwanzflossendurchtrennung, die eine Bildgebung unmittelbar nach der Verwundung und eine gleichzeitige Langzeitbildgebung mehrerer verwundeter Zebrafischembryonen im selben Sichtfeld ermöglicht. Darüber hinaus reduziert diese Konstruktionsmethode die Investitionskosten und den Zeitaufwand für den Gerätebau drastisch, während die Wiederverwendbarkeit erhalten bleibt.
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In dieser Studie wurden Embryonen 3 Tage nach der Befruchtung (dpf) verwendet, es können aber auch Embryonen mit 2-14 dpf verwendet werden. Das Zebrafisch-Experiment wurde nach international anerkannten Standards durchgeführt. Das Animal Care and Use Protocol wurde vom Purdue Animal Care and Use Committee (PACUC) genehmigt und hält sich an die Richtlinien für die Verwendung von Zebrafisch im NIH Intramural Research Program (Protokollnummer: 1401001018).
1. Montage des PET-Mikrofluidik-Geräts
HINWEIS: Jeder Teil dieses Protokolls kann jederzeit pausiert werden, mit Ausnahme der Schritte 1.8 und 1.9, die abhängig von der Trocknungszeit von Cyanacrylat sind.
2. Positionierung der Embryonen in der Radieschen und Vorbereitung für die Bildgebung
3. Bildgebung von Calciumtransienten nach einer Verwundung
HINWEIS: Dieser Abschnitt und Abschnitt 4 sind optional und werden als mögliche Beispielversuche zur Verfügung gestellt.
4. Bildgebung der Rekrutierung von Neutrophilen nach Verwundung
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Zum Vergleich der Bildqualität, die durch ein konfokales Laserscanning mit und ohne Hilfe des RADISH erzeugt wurde, wurden Embryonen, die den intensitätometrischen Calcium-Biosensor GCaMP6f22,24 in der äußeren Epithelschicht exprimieren, mit MemGlow 560 gefärbt und mit einem inversen konfokalen Laserscanning, das die gesamte Dicke der Schwanzflossenfalte abdeckte, in einem Zeitintervall von 1 min pro Bild abgebildet (Video 2). Ohne das Gerät (
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Die Kernprämisse des PET-Laminierungsverfahrens ist die Kostensenkung und Minimierung technischer Eintrittsbarrieren im Vergleich zu herkömmlichen Mitteln zur Herstellung mikrofluidischer Geräte, wie z. B. Softlithographie oder PDMS-Spritzguss. Daher sind die einzigen kritischen Schritte in diesem Protokoll die genaue Ausrichtung der PET-Schichten während der Laminierung und die Abdichtung der Gerätekanten nach der Konstruktion. Alle anderen Teile des Verfahrens können je nach experiment...
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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Die Arbeit wurde durch Forschungsgelder der National Institutes of Health (R35GM119787 bis QD) unterstützt. Diese Arbeit basiert auf Bemühungen, die vom EMBRIO Institute, NSF-Vertrag #2120200, einem Biology Integration Institute der National Science Foundation (NSF), unterstützt werden. Die konfokale Bildgebung wurde in der Purdue Imaging Facility durchgeführt. Wir danken Dr. Guangjun Zhang (Purdue University) für die Bereitstellung der Tg(UAS:GCaMP6f)-Linie. Wir danken Dr. David Tobin (Duke University) für die Bereitstellung der (cdh1-tdtomato)xt18-Linie.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Rundes Deckglas mit 25 mm Durchmesser #1 Dicke | Chemglass Life Sciences | CLS-1760-025 | Montagematerial für den Sockel. Die Dicke wurde auf der Grundlage der Spezifikationen der Mikroskoplinse gewählt. |
| Adobe Illustrator v28.5 | Adobe | N/A | Vektoreditor zum Entwerfen des Gerätemusters. |
| Calciumchlorid-Dihydrat | Fisher | C79 | Zur Herstellung von E3 medium. |
| Design-PNG-Dateien (Online-Spiegel) | N/A | N/A | br/> https://i.ibb.co/FDpQYXc/multipositionalv7-2.png https://i.ibb.co/5TG4SB6/multipositionalv7-3.png |
| Design Space for Desktop v8.39 | Cricut | N/A | Proprietäre Software zum Steuern des Bastelschneiders. |
| Fusion Plus 7000L | GBC | 1703098 | Thermo-Laminiergerät. Dieses spezielle Modell wurde aufgrund von Merkmalen der Lebensqualität ausgewählt, wie z. B. der maximalen Blechstapelgröße. |
| German Carbide Premium Klinge | Cricut | 10396595 | Ersatzklinge für Bastelschneider. |
| Grau Basic Tool | Set Cricut | 10307854 | Werkzeugset zum Jäten von Schnitten, Reinigen von Matten und Montieren von PET-Platten. Optional. |
| Magnesiumchlorid-Hexahydrat | Acros Organisches | 223211000 | Zur Herstellung von E3-Medium. |
| Maker 3 | Cricut | 10669040 | Craft Cutter. Die Cricut Maker 3 wurde der Silhouette Cameo 4 aus Gründen der Software-Benutzerfreundlichkeit vorgezogen, aber jeder Bastelschneider, der Schwarz-Weiß-Bilder lesen kann, funktioniert. |
| MemGlow 560 | Zytoskelett | MG02-10 | Roter Lebendzellfarbstoff für Zellmembranen. Kein Waschen erforderlich. Verwendet in Abbildung 3. |
| Nr. 22 Carbon Skalpellklinge | Surgical Design | 22-079-697 | Skalpellklinge für manuelle Schnitteinstellungen. Jedes ähnliche Bastelmesser (z. B. X-acto #2 Messer) funktioniert ebenfalls. |
| Kaliumchlorid | Fisher | BP366 | Zur Herstellung von E3 medium. |
| Natriumchlorid | Fisher | BP358 | Zur Herstellung von E3 mittel. |
| StandardGrip Selbstklebende Schneidematte | Cricut | 10138842 | Montagematte für Bastelschneider. Die LightGrip-Schneidematte funktioniert auch, aber vermeiden Sie die StrongGrip- und FabricGrip-Schneidematten, da die Stärke des Klebstoffs den endgültigen Schnitt beim Jäten und Entfernen verziehen kann. Klebstoff auf Matten nutzt sich bei fortgesetztem Gebrauch ab; Tauschen Sie die Matten nach Bedarf aus. |
| Schreibwarenband 12 mm | Deli | 30014 | Büroklebeband. Die Marke Deli wurde durch Tests ausgewählt, um die Entfernung nach dem Laminieren zu gewährleisten. |
| Sekundenkleber, flüssiger | Loctite | 1364076 | Cyanacrylat-Kleber. Der verwendete Kleber muss flüssig sein Gelformulierungen dichten die Gerätekanten nicht ausreichend ab oder machen sie nicht wasserdicht. |
| PET-Thermolaminierbeutel, 3 mil | Scotch | TP3854 | PET-Platten mit Wärmekleber. Die Blätter werden als Sandwichpaare geliefert und sollten vor der Verwendung getrennt werden. Schneiden Sie mit der Klebeseite nach unten. |
| PET-Thermolaminierbeutel, 5 mil | Scotch | TP5854 | PET-Platten mit Wärmekleber. Die Blätter werden als Sandwichpaare geliefert und sollten vor der Verwendung getrennt werden. Schneiden Sie mit der Klebeseite nach unten. |
| Tricain (MS-222) | Syndel | IC10310680 | Fischanästhetikum. |
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