Name: Aufbau und Betrieb eines akustofluidischen Geräts zur verbesserten Abgabe molekularer Verbindungen an Zellen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-01-21T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 16 s
Description: Erfahren Sie den Aufbau und Betrieb eines akustofluidischen Geräts zur effizienten Abgabe von Biomolekülen an Zellen. Diese Methode ermöglicht schnelle molekulare Zustellung bei erhaltener Zellviabilität für zellbasierte Therapien.

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Diese Arbeit wurde teilweise durch Mittel der National Science Foundation (#1827521, #1827521, #1450370) und der National Institutes of Health (U01HL127518) unterstützt. Photolithographie-Dienstleistungen wurden vom Micro/ Nano Technology Center der University of Louisville angeboten.

Vollblutspenden wurden von gesunden Spendern nach Protokollen gesammelt, die vom institutionellen Prüfungsausschuss der University of Louisville genehmigt wurden.
1. Herstellung von akustofluidischen Geräten
<ol><li>Erhalten Sie eine Fotomaske mit einem konzentrischen Spiraldesign, das Kanäle mit einem Durchmesser von 500 μm enthält. Eine CAD-Datei wird in den Zusatzdateien als Beispiel bereitgestellt. Eine benutzerdefinierte Fotomaske kann bei einem kommerziellen Anbieter bestellt oder mit einem Maskenschreiber gemustert werden.</li>
	<li>Bereiten Sie eine Form des konzentrischen Spiraldesigns auf einem fotolackbeschichteten Siliziumwafer mit Standard-Photolithographietechniken vor.<ol>
<li>Fügen Sie ca. 2 EL (~30 ml) SU-8 2100 zu einem 100 mm Siliziumwafer hinzu.</li>
		<li>Spin-Coat den Wafer auf einem Spinner mit einer Geschwindigkeit von 150 U / min für 30 s, um den Fotolack zu verteilen, und erhöhen Sie dann die Geschwindigkeit auf 1.200 U / min für 60 s, um eine Dicke von 200 μm zu erhalten.</li>
		<li>Härten Sie die fotolackbeschichtete Waffel in einem Polyimid-Vakuumofen mit einem 30-minütigen Hochlauf und 30 minuten Verweildauer bei 115 °C aus und fahren Sie dann für 30 minuten herunter.</li>
		<li>Belichten Sie den fotolackbeschichteten Wafer für 130 s mit einem Mask aligner mit der Fotomaske aus Schritt 1.1.</li>
		<li>Der Waffel wird nach der Belichtung nach dem gleichen Verfahren wie in Schritt 1.2.3 beschrieben gebacken.</li>
		<li>Entwickeln Sie den Fotolack in der SU-8-Entwicklerlösung für ca. 8 Min. ACHTUNG: Verwenden Sie die Entwicklerlösung nur in einem gut belüfteten chemischen Abzug.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Silanisieren Sie die Form, um die Oberfläche hydrophober zu machen. Legen Sie den fotolackbeschichteten Wafer in einen Trockener und fügen Sie einen 20 μL Tropfen Chlorsilan(C8H4Cl3F13 Si) hinzu. 30 s Vakuum auf die Kammer auftragen, dann die Kammer versiegeln und über Nacht stehen lassen. ACHTUNG: Chlorsilan ist sehr gefährlich und brennbar. Die Exposition verursacht schwere Verbrennungen und Augenschäden.</li>
	<li>54 g Polydimethsiloxan (PDMS)-Basis und 6 g Härter in einer Tasse vermischen und mindestens 1 min kräftig und gründlich mit einem Spatel mischen.</li>
	<li>Stellen Sie den Becher mit der PDMS-Lösung für ca. 30 Minuten in einen Trockenschrank oder bis die verbleibenden Luftblasen aus der Lösung entfernt sind.</li>
	<li>Fotolackbeschichtete Wafer mit den nach oben gerichteten Mustern in eine 150-mm-Petrischale legen.</li>
	<li>Gießen Sie die PDMS-Lösung über die Form in der 150-mm-Petrischale.</li>
	<li>Legen Sie die 150-mm-Petrischale bei Bedarf in einen Trockenmittel und wenden Sie Vakuum an, bis die verbleibenden Luftblasen verschwinden.</li>
	<li>Die 150-mm-Petrischale in einen Laborofen geben und 2 h bei 60 °C backen, um das PDMS auszuhärten.</li>
	<li>Entfernen Sie nach dem Aushärten vorsichtig das PDMS aus der Petrischale, indem Sie mit einer Rasierklinge um die Ränder des Wafers schneiden.</li>
	<li>Schneiden Sie jedes einzelne Gerät mit einem Messer oder einer Rasierklinge aus.</li>
	<li>Stanzen Sie Löcher durch die Ein- und Auslassöffnungen jedes Geräts mit einem 2,5-mm-Biopsiestempel.</li>
	<li>Legen Sie jedes PDMS-Gerät in einen Plasma-Asher mit freiliegenden Kanälen (nach oben gerichtet). Sauerstoffplasmabehandlung (100 W für 45 s, 500 mbar O2)auftragen und dann jedes PDMS-Gerät sofort auf einen sauberen Kalknatronglas-Objektträger (75 mm x 25 mm x 1 mm) mit Kanälen zur Glasoberfläche legen.</li>
	<li>Lassen Sie Geräte über Nacht bei Raumtemperatur verbinden.</li>
	<li>Tragen Sie Silikon vorsichtig auf die Oberfläche des Piezowandlers mit einem Durchmesser von 1 cm mit einer Dicke von ~ 1-2 mm auf, richten Sie den Wandler dann vorsichtig mit der konzentrischen Spirale aus und drücken Sie ihn vorsichtig auf den Boden des Glasmikroskopobjektträgers (gegenüberliegende Seite des PDMS-Geräts).</li>
</ol>2. Montage und Betrieb des akustofluidischen Systems
<ol><li>Schließen Sie einen Mikrocontroller über ein USB-A-zu-B-Kabel an einen Computer an. Eine grüne LED-Betriebsanzeige (pwR) sollte aufleuchten.</li>
	<li>Verwenden Sie das zugehörige Programm auf dem Computer, um ein Programm hochzuladen, das ein 8-MHz-Signal erzeugt. Ein Beispielprogramm finden Sie in den Ergänzenden Files. Nach dem Hochladen des Programms wird es im Mikroprozessorspeicher gespeichert und muss nicht erneut hochgeladen werden.</li>
	<li>Löten Sie einen 1"22G-Draht an das Ende jedes Drahtes am PZT-Wandler.</li>
	<li>Verbinden Sie den negativen (schwarzen) Klemmendraht des PZT-Wandlers über den gelöten Draht mit einem GND-Pin.</li>
	<li>Verbinden Sie den positiven (roten) Klemmendraht des PZT-Wandlers über den lötbaren Draht mit dem Ausgangspin (#9 im mitgelieferten Beispielprogramm).</li>
	<li>Optional montieren Sie das akustofluidische Gerät und den Mikrocontroller in einem 3D-gedruckten Gehäuse. CAD-Dateien werden in denS-Upplemental Files als Beispiele zur Verfügung gestellt. Zusätzliche Kabel können an andere Mikrocontroller-Pins angeschlossen werden, um eine externe LED-Anzeige und auf Wunsch einen Ein- / Aus-Taster zu steuern.</li>
	<li>Schneiden Sie 3-6" Abschnitte aus Tygon PVC Weichplastikschläuchen (1/16" ID, 1/8" OD) und schieben Sie den Schlauch in die Ein- und Auslassöffnungen. Es kann notwendig sein, den Schlauch beim Ausüben von Druck zu drehen, bis er in die Öffnung passt. Optional kann nach dem Einsetzen des Schlauchs in jeden Anschluss an der Verbindung Klebstoff aufgetragen werden, um pdMS und Schlauch miteinander zu verbinden.</li>
	<li>Montieren Sie das mikrofluidische Reservoir gemäß den Anweisungen des Herstellers.</li>
	<li>Schneiden Sie einen 3-6" Abschnitt aus Tygon PVC Weichplastikrohr (1/16" ID, 1/8" OD) und schieben Sie den Schlauch über den 1/32" ID-Schlauch aus dem mikrofluidischen Reservoir-Ausgangsschlauch. Optional wickeln Sie die Verbindung mit Paraffinfolie um, um ein Auslaufen zu verhindern.</li>
	<li>Füllen Sie eine 60-ml-Spritze mit Umgebungsluft (optional filtern Sie die Luft mit einem 0,2-μm-Filter) und verbinden Sie sie mit einem Tygon-PVC-Schlauch (1/16" ID, 1/8" OD) an der Seite des mikrofluidischen Reservoirs.</li>
	<li>Stellen Sie die Spritzenpumpe auf eine Geschwindigkeit von 200 ml / h ein, um die Zell- / Ultraschallkontrastmittellösungen mit einem Volumenstrom von 50 ml / h durch das akustofluidische Gerät zu drücken und die Proben vom Ausgang des akustofluidischen Geräts in ein 50 ml-Zentrifugenrohr zu sammeln. Optional spülen Sie den Kanal vor der akustofluidischen Behandlung mit 15 ml 70% iger Ethanollösung, um die Sterilität der fluidischen Kanäle zu erhöhen. Zusätzlich können Kanäle mit 15 ml entionisiertem Wasser gespült werden, um Ethanolreste im Gerät zu entfernen, bevor Zellen durch das System gepumpt werden.</li>
</ol>3. Herstellung von Ultraschallkontrastmitteln
HINWEIS: Ultraschallkontrastmittel verbessern signifikant die akustofluidische Abgabe molekularer Verbindungen durch vorübergehende Erhöhung der Permeabilisierung nahegelegener Zellmembranen19. Die molekulare Abgabe ist ohne Ultraschallkontrastmittel in diesem System sehr begrenzt.
<ol><li>Bereiten Sie eine Phospholipidlösung in einer 20-ml-Szintillationsfläschchen vor, die die folgende Mischung enthält:<ol>
<li>Fügen Sie 25 mg 1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (DSPC) hinzu.</li>
		<li>Fügen Sie 11,6 mg 1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-ethylphosphocholin (DSEPC) hinzu.</li>
		<li>Fügen Sie 0,26 mg 1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerin (DSPG) hinzu.</li>
		<li>Fügen Sie 0,88 mg Polyoxyethylen40-Stearat hinzu.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Chloroform hinzufügen, bis alle Phospholipide gelöst sind (z. B. 3 ml Chloroform).</li>
	<li>Chloroform in einem Trockenmittel 48 h verdampfen, um einen trockenen Lipidfilm zu bilden (Verdampfung unter Argon oder mit einem Rotationsverdampfer kann verwendet werden, um den Trocknungsprozess zu beschleunigen).</li>
	<li>Rehydrieren Sie den Lipidfilm mit 10 ml steriler phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS).</li>
	<li>Die Lipidlösung wird 3 min lang bei 40% Amplitude beschallt, um eine kationische mizellare Lösung zu bilden.</li>
	<li>Nach der Beschallung die Phospholipidlösung bei 2-6 °C bis zu 1 Monat lagern.</li>
	<li>Zur Herstellung von Ultraschallkontrastmitteln werden 200 μL kationische mizellare Lösung und 600 μL steriles PBS in eine 2 ml Glasseptumfläschchen-Durchstechflasche geben.</li>
	<li>Verschließen Sie die Durchstechflasche, indem Sie die Kappe crimpen.</li>
	<li>Verwenden Sie eine 1,5"20G-Nadel, um den Kopfraum der Durchstechflasche 30 s lang mit Decafluorbutangas zu füllen.</li>
	<li>Amalgamieren Sie die Durchstechflasche für 45 s bei 4.350 cpm zu perfluorbutangasgefüllten Ultraschallkontrastmitteln.</li>
	<li>Fügen Sie 25 μL Ultraschallkontrastmittellösung pro 1 ml Zelllösung hinzu, bevor Sie das kombinierte Kontrastmittel/Zellgemisch durch das akustofluidische Gerät pumpen. Die Zelllösung kann vom Benutzer nach Wunsch modifiziert werden, aber in unseren Studien bestand die Zelllösung aus primären T-Zellen in Schritt 4.21 bzw. A549-Lungenkrebszellen in Schritt 5.7.</li>
</ol>4. Herstellung von primären Tcells
<ol><li>Isolieren Sie periphere mononukleäre Blutzellen (PBMCs) aus Vollblutlösungen und lagern Sie sie bei -150 °C. Die Dichtegradiententrennung, die ein Substrat enthält, wird üblicherweise verwendet, um PBMCs von Vollblut24,25,26zu trennen.</li>
	<li>Gefrorene Durchstechflasche im 37 °C Wasserbad auftauen.</li>
	<li>Aufgetaute PBMCs 1:10 mit PBS in einem 15mL Zentrifugenröhrchen verdünnen. Jede 1-ml-Durchstechflasche enthält etwa 10 Millionen PBMCs.</li>
	<li>Zentrifuge verdünnte PBMCs bei 580 x g für 11 min bei 4 °C.</li>
	<li>Saugen Sie den Überstand an und fügen Sie 13 ml MACs hinzu, die einen Puffer laufen, um die Zellen wieder aufzustellen.</li>
	<li>Zählen Sie die PBMCs mit einem automatisierten Zellzähler oder Hämozytometer.</li>
	<li>Zentrifugieren Sie die PBMCs erneut bei 580 x g für 11 min bei 4 °C und saugen Sie den Überstand an.</li>
	<li>Fügen Sie 40 μL gekühlten Laufpuffer pro 10 Millionen PBMCs hinzu.</li>
	<li>Um T-Zellen zu isolieren, fügen Sie 10 μL Pan T-Cell Biotin Antikörper-Cocktail pro 10 Millionen PBMCs hinzu.</li>
	<li>Rühren Sie die PBMCs vorsichtig und lagern Sie die Lösung bei 4 °C für 5 min pro 10 Millionen Zellen.</li>
	<li>Fügen Sie 30 μL Laufpuffer und 20 μL Pan T-Cell MicroBead Cocktail pro 10 Millionen PBMCs hinzu.</li>
	<li>PBMCs und Perlen gründlich vermischen und weitere 15 min bei 4 °C inkubieren.</li>
	<li>Fügen Sie einen laufenden Puffer hinzu, um ein Gesamtvolumen von 500 μL zu erreichen.</li>
	<li>Trennen Sie primäre T-Zellen mit einem handelsüblichen magnetischen Tischsortiergerät unter Verwendung der Einstellung "Depletes Separation" gemäß dem Protokoll des Herstellers. Dieser Schritt sollte nach der Zellsortierung zwischen 5-10 Millionen T-Zellen ergeben.</li>
	<li>Zählen Sie T-Zellen mit einem automatisierten Zellzähler oder Hämozytometer.</li>
	<li>T-Zellen in 10 ml sterilem PBS verdünnen und bei 580 x g zentrifugieren für 10 min bei 4 °C, um die Zellen zu pelletieren.</li>
	<li>Saugen Sie den Überstand an und resuspend T-Zellen in 1 ml PBS.</li>
	<li>Zählen Sie T-Zellen mit einem automatisierten Zellzähler oder Hämozytometer und aliquot 1 Million / ml für Experimente.</li>
	<li>Bereiten Sie eine 1 mg / ml Fluoreszeinlösung in PBS vor.</li>
	<li>Unmittelbar vor der Verarbeitung werden 100 μL 1 mg/ml Fluoreszeinlösung pro 1 ml T-Zelllösung (endgültige Fluoresceinkonzentration = 100 μg/ml) hinzugefügt.</li>
	<li>Fügen Sie 25 μL Ultraschall-Kontrastmittellösung hinzu, wie zuvor in Schritt 3.11 beschrieben.</li>
	<li>Verarbeiten Sie 1 ml Aliquoten von Zellen mit dem akustofluidischen System (siehe Schritte 2.10-2.11). Dieser Schritt verbessert die Abgabe von Fluorescein in primäre T-Zellen.</li>
	<li>Unmittelbar nach der Behandlung die Zellen dreimal durch Zentrifugation bei 580 x g für 10 min mit 500 μL PBS waschen, um extrazelluläres Fluoreszein zu entfernen. Die Zellen sollten innerhalb von 10 Minuten nach Zugabe von Fluoreszeinlösung gewaschen werden.</li>
	<li>Nach dem letzten Waschschritt die Zellen in 250 μL PBS resuspendieren und die Fluoreszenz auf dem Durchflusszytometer messen.</li>
</ol>5. Herstellung von A549-Lungenkrebszellen
<ol><li>Kultur-A549-Zellen (adenokarzinome humane alveoläre Basalepithelzellen) in vollständigen DMEM-Medien (10% fetales Rinderserum, 1% Penicillin/Streptomycin) bei 37 °C und 5% CO 2 ineinem Flachboden-Gewebekulturkolben.</li>
	<li>Ernten Sie A549-Zellen, wenn sie 70-90% Konfluenz erreichen. Aspiratieren Sie Medien aus dem Kolben und waschen Sie die Zellen einmal mit PBS, um Serumproteine zu entfernen.</li>
	<li>Trypsin (0,25%) EDTA in den Kolben geben und 5 min bei 37 °C inkubieren. Trypsin ist ein Verdauungsenzym, das bewirkt, dass sich die Zellen von der Unterseite des Gewebekulturkolbens lösen.</li>
	<li>Geben Sie die Trypsinlösung in ein 15-ml-Zentrifugenröhrchen und neutralisieren Sie es, indem Sie vollständige DMEM-Medien im Verhältnis 1: 3 hinzufügen.</li>
	<li>Pelletieren Sie die Zellen durch Zentrifugation bei 1.500 x g für 5 min bei 4 °C.</li>
	<li>Saugen Sie den Überstand an und brauen Sie das Pellet in einer Konzentration von 100.000/ml in PBS-Lösung mit 200 mM Trehalose in 15-ml-konischer Durchstechflasche wieder auf.</li>
	<li>Fügen Sie 25 μL Ultraschall-Kontrastmittellösung hinzu, wie zuvor in Schritt 3.11 beschrieben.</li>
	<li>Verarbeiten Sie 1 ml Aliquoten von Zellen mit dem akustofluidischen System (siehe Schritte 2.10-2.11). Dieser Schritt verbessert die Abgabe von Trehalose in A549-Lungenkrebszellen.</li>
	<li>Unmittelbar nach der Behandlung waschen Sie die Zellen dreimal per Zentrifugation mit 500 μL PBS, um extrazelluläre Trehalose zu entfernen. Die Zellen sollten innerhalb von 10 Minuten nach Zugabe von Trehaloselösung gewaschen werden.</li>
	<li>Nach dem letzten Waschschritt die Zellen in 100 μL PBS wieder aufschnüsen.</li>
	<li>Fügen Sie 11 μL 1% Triton X-100-Lösung hinzu, um Zellen zu lysieren und intrazelluläre Trehalose freizusetzen.</li>
	<li>Wirbel für 15 s, dann für 30 min bei Raumtemperatur inkubieren.</li>
	<li>Vortex erneut für 15 s, dann messen Sie die Trehalose-Konzentration mit dem kommerziell erhältlichen Trehalose-Assay gemäß der Empfehlung des Herstellers.</li>
</ol>

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Die Co-Autoren MAM und JAK sind Eigentümer von DesiCorp, die finanziell von Produkten im Zusammenhang mit dieser Forschung profitieren können.

Dieses Protokoll beschreibt den Aufbau und Betrieb eines kostengünstigen akustofluidischen Systems, das die intrazelluläre Abgabe von Biomolekülen für Forschungsanwendungen verbessert. Es gibt mehrere wichtige Faktoren, die bei der Montage und dem Betrieb dieses Systems zu berücksichtigen sind. Das akustofluidische Gerät wird in PDMS hergestellt, einem biokompatiblen Material, das leicht mit konsistenten Kanalabmessungen geformt werden kann27. Die Gerätekanäle können vor der akustofluidischen Vera...

Virale und nicht-virale Plattformen wurden verwendet, um die molekulare Abgabe an Zellen zu verbessern. Virale Abgabe (Transduktion) ist eine gängige Technik, die in zellbasierten Therapien verwendet wird, die eine genomische Modifikation erfordern. Zu den Einschränkungen bei der viralen Verabreichung gehören eine potenzielle insertionelle Mutagenese, eine begrenzte transgene Kapazität und eine unerwünschte Vielzahl von Infektionen1,2. Daher sind nicht-virale molekulare Verabreichungstechniken für ein breites Spektrum von biomedizinischen und Forschungsanwendungen in der Entwicklung. Zu den gängigen Techniken gehören mechanische, elektrische, hydrodynamische oder die Verwendung laserbasierter Energie, um die Aufnahme von Biomolekülen in Zellen zu verbessern 3. Elektroporation ist eine häufig verwendete nicht-virale molekulare Verabreichungsplattform, die die Fähigkeit hat, eine transiente Perforation in der Plasmamembran für die intrazelluläreAbgabemolekularer Verbindungen 4,5,6,7 ,8,9zuinduzieren. Die transiente Perforation der Plasmamembran ist jedoch ein stochastischer Prozess und die molekulare Aufnahme durch Elektroporation ist im Allgemeinen abhängig von der passiven Diffusion über die transienten Membranporen4,7,8.
Eine alternative Methode ist die Verwendung von Ultraschall zur verbesserten intrazellulären molekularen Abgabe durch Kavitation von Ultraschallkontrastmitteln (d.h. gasgefüllte Mikroblasen). Mikroblasenkavitation induziert Mikrostromeffekte in den umgebenden Medien, die eine vorübergehende Perforation benachbarter Plasmamembranen ("Sonoporation") verursachenkönnen,die eine schnelle intrazelluläre Aufnahme von Biomolekülen über passive oder aktive Transportmechanismen ermöglicht10,11,12. Sonoporation ist eine effektive Technik für die schnelle molekulare Abgabe an Zellen, aber dieser Ansatz erfordert oft teure Geräte und Massenbehandlungsmethoden, die durch einen geringeren Durchsatz und eine höhere Variabilität der Ultraschallexpositionsbedingungen begrenzt sind13. Um diese Einschränkungen zu beheben, werden derzeit akustofluidische Geräte entwickelt, die eine konsistente Sonoporation von Zellen in Suspension ermöglichen.
Akustofluidik ist ein expandierendes Feld, das Ultraschall- und Mikrofluidik-Technologien für eine Vielzahl von Anwendungen integriert. Dieser Ansatz wurde bisher zur Partikeltrennung durch Anwendung kontinuierlicher Ultraschallenergie verwendet, um stehende akustische Wellen innerhalb der fluidischen Kanäle14,15,16,17zu induzieren. Partikel werden basierend auf einer Vielzahl von Eigenschaften wie Partikelgröße, Dichte und Kompressibilität relativ zum Medium16in verschiedene Teile des Geräts sortiert. Akustofluidische Technologien sind ebenfalls in der Entwicklung, um eine schnelle molekulare Verabreichung an eine Vielzahl von Zelltypen für Forschungsanwendungen und die Herstellung von Zelltherapien zu ermöglichen18. Vor kurzem haben wir eine verbesserte molekulare Abgabe an Erythrozyten mit einem PDMS-basierten akustofluidischen Gerät19demonstriert. In der akustofluidischen Plattform können Zell- und Mikroblasendynamiken manipuliert werden, um physikalische Wechselwirkungen zu induzieren, die eine verbesserte Abgabe von Biomolekülen ermöglichen. Die Effizienz und Konsistenz der intrazellulären molekularen Abgabe kann möglicherweise durch die Optimierung des Abstands zwischen Zellen und Mikroblasen erhöht werden.
Eine wichtige Anwendung für die akustofluidisch vermittelte Sonoporation ist der Transport von Biomolekülen in primäre menschliche T-Zellen. Immuntherapien, die auf adoptivem T-Zell-Transfer basieren, wie die Chimeric Antigen Receptor T Cell (CAR T) -Therapie, entwickeln sich schnell zur Behandlung verschiedener Krankheiten, einschließlich Krebs und Viren wie HIV20. Die CAR-T-Therapie war besonders wirksam bei Patienten mit akuter lymphatischer Leukämie (ALL) bei Kindern mit vollständigen Remissionsraten von 70-90%21. Die Herstellung von T-Zellen für diese Therapien hängt jedoch im Allgemeinen von der viralen Transduktion ab, die durch eine potenzielle insertionelle Mutagenese, lange Verarbeitungszeiten und Herausforderungen bei der Bereitstellung nicht-genetischer Biomoleküle wie Proteine oder kleine Moleküle begrenzt ist1. Akustofluidisch vermittelte molekulare Verabreichungsmethoden können diese Einschränkungen möglicherweise überwinden und die Herstellung von T-Zell-Therapien verbessern.
Eine weitere wichtige Anwendung für die akustofluidisch vermittelte Sonoporation ist die intrazelluläre Abgabe von Konservierungsmitteln wie Trehalose, die die Zellen beim Einfrieren und Austränken schützen. Trehalose wird von einigen Organismen in der Natur produziert und hilft ihnen, Das einfrieren und austränken zutolerieren,indem sie ihre Zellmembranen schützen22,23. Trehalose wird jedoch nicht von Säugetierzellen produziert und ist für Säugetierzellmembranen undurchlässig. Daher sind wirksame molekulare Verabreichungstechniken wie sonoporation notwendig, um ausreichende intrazelluläre Trehalosespiegel zu erreichen, die zum Schutz der inneren Zellmembranen erforderlich sind. Dieser Ansatz befindet sich derzeit in der Entwicklung zur Trockenkonservierung verschiedener Zelltypen.
Dieses Protokoll bietet eine detaillierte Beschreibung der Montage und des Betriebs eines relativ kostengünstigen akustofluidischen Systems, das von einem Mikrocontroller angetrieben wird. Ultraschallkontrastmittel werden verwendet, um Sonoporation innerhalb der fluidischen Kanäle zu induzieren und eine schnelle molekulare Abgabe an verschiedene Zelltypen, einschließlich T-Zellen und Krebszellen, zu ermöglichen. Dieses akustofluidische System kann für eine Vielzahl von Forschungsanwendungen verwendet werden und kann auch als Prototypsystem zur Bewertung von Sonoporationsmethoden für verbesserte Zelltherapie-Herstellungsprozesse nützlich sein.

<table><tbody><tr><td>Herstellung eines akustofluidischen Geräts</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>DOW SYLGARD 184 SILIKONVERKAPSELUNG KLAR 0,5 KG KIT</td><td>Ellsworth Adhesives</td><td>4019862 (SKU)</td><td>https://www.ellsworth.com/products/by-market/consumer-products/encapsulants/silicone/dow-sylgard-184-silicone-encapsulant-clear-0.5-kg-kit/</td></tr> <tr><td>Harris Uni-Core (2,5 mm)</td><td>Elektronenmikroskopie</td><td>69039-25</td><td></td></tr><tr><td>Mikrofluidisches Reservoir für 15 mL Falcon Tube - S (2/4 Port)</td><td>Darwin Microfluidics</td><td>LVF-KPT-S-2 (SKU)</td><td>https://darwin-microfluidics.com/products/15-ml-falcon-tube-microfluidic-reservoir-s-2-4-port</td></tr><tr><td>Objektträger</td><td>VWR</td><td>16004-430</td><td>https://us.vwr.com/store/product/4646174/vwr-vistavisiontm-microscope-slides-plain-and-frosted-premium</td></tr><tr><td>Trichlorsilan</td><td>Gelest</td><td>105732-02-3 (Cas.-Nr.)</td><td>Chlorsilan ist sehr gefährlich und brennbar. Die Exposition führt zu schweren Verbrennungen und Augenschäden.</td></tr><tr><td>Tygon PVC-Weichkunststoffschlauch (1/16" ID, 1/8" OD)</td><td>McMaster-Carr</td><td>5233K51 (Teil #)</td><td></td></tr><tr><td>https://www.mcmaster.com/pvc-tubing/soft-tubing-for-air-and-water/Montage des Akustofluidiksystems</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Arduino Uno</td><td>Arduino</td><td>7630049200050 (Barcode)</td><td>https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3</td></tr><tr><td><stark>Zubereitung von Ultraschall-Kontrastmitteln</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1,2-distearoyl-sn-glycero-3-ethylphosphocholin (DSEPC)</td><td>Avanti Lipide</td><td>890703P-25mg (SKU)</td><td>https://avantilipids.com/product/890703</td></tr><tr><td>1,2-Distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (DSPC)</td><td>Avanti Lipide</td><td>850365P-25mg (SKU)</td><td>https://avantilipids.com/product/850365</td></tr><tr><td>1,2- Distearoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerol (DSPG)</td><td>Avanti Lipids</td><td>840465P-25mg (SKU)</td><td>https://avantilipids.com/product/840465</td></tr><tr><td>APF-140HP (Decafluorbutatgas)</td><td>FlouroMed</td><td>355-25-9 (Cas-Nr.)</td><td>http://www.fluoromed.com/products/perfluorodecalin/</td></tr><tr><td>DB-338 Amalgamatoren&nbsp;</td><td>COXO</td><td></td><td>https://www.coxotec.com/coxo/db-338-amalgamators/</td></tr> <tr><td>Polyoxyethylen 40 Stearat&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3440-250G (SKU)</td><td>https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/p3440?lang=en&region=US&gclid= Cj0KCQjwy8f6BRC7ARIsAPIXOjjj Jh_151mYVEUyLZRavt4re9YQMLS vID64X-1KbO3LUKGjVUwb PDAaAqvOEALw_wcB</td></tr><tr><td>Q125 Ultraschallgerät</td><td>Qsonica</td><td>Q125-110 (Ref.)</td><td>https://www.sonicator.com/products/q125-sonicator?_pos=1&_sid=406df3776&_ss=r</td></tr><tr><td>Präparation von primären T-Zellen</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>autoMACs Laufpuffer</td><td>Miltenyi Biotec</td><td>130-091-221 (Bestell-Nr.)</td><td>https://www.miltenyibiotec.com/US-en/products/automacs-running-buffer-macs-separation-buffer.html#gref</td></tr><tr><td>Pan T Cell Isolation Kit, human (Pan T-Cell Biotin Antikörper Cocktail & Pan T-Cell MicroBead Cocktail) &nbsp;</td><td>Miltenyi Biotec</td><td>130-096-535 (Bestell-Nr.)</td><td>https://www.miltenyibiotec.com/US-en/products/pan-t-cell-isolation-kit-human.html#130-096-535</td></tr><tr><td>magnetischer Zellsortierer (autoMACS Pro Separator)</td><td>Miltenyi Biotec</td><td>130-092-545 (Bestell-Nr.)</td><td>https://www.miltenyibiotec.com/US-en/products/automacs-pro-separator-starter-kit.html#130-092-545</td></tr><tr><td>Vorbereitung von A549 Lungenkrebszellen</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Trehalose Assay Kit&nbsp;</td><td>Megazyme</td><td>K-TREH (Kat. Nr.)</td><td>https://www.megazyme.com/trehalose-assay-kit</td></tr><tr><td>Trypanblau (0,4 % in wässriger Lösung, gebrauchsfertig, steril)</td><td>VWR</td><td>97063-702 (Kat. Nr.)</td><td>https://us.vwr.com/store/product/7437427/trypan-blue-0-4-in-aqueous-solution-ready-to-use-sterile</td></tr></tbody></table>

aufbau und betrieb eines akustofluidischen geräts zur verbesserten abgabe molekularer verbindungen an zellen

Assembly and Operation of an Acoustofluidic Device for Enhanced Delivery of Molecular Compounds to Cells

Eine effiziente intrazelluläre Abgabe von Biomolekülen ist für ein breites Spektrum biomedizinischer Forschung und zellbasierter therapeutischer Anwendungen erforderlich. Die ultraschallvermittelte Sonoporation ist eine neue Technik zur schnellen intrazellulären Abgabe von Biomolekülen. Sonoporation tritt auf, wenn kavitation von gasgefüllten Mikroblasen transiente Poren in nahe gelegenen Zellmembranen bildet, was eine schnelle Aufnahme von Biomolekülen aus der umgebenden Flüssigkeit ermöglicht. Aktuelle Techniken zur In-vitro-Sonoporation von Zellen in Suspension sind durch langsamen Durchsatz, Variabilität der Ultraschall-Expositionsbedingungen für jede Zelle und hohe Kosten begrenzt. Um diese Einschränkungen zu beheben, wurde ein kostengünstiges akustofluidisches Gerät entwickelt, das einen Ultraschallwandler in ein PDMS-basiertes fluidisches Gerät integriert, um eine konsistente Sonogenierung der Zellen zu induzieren, während sie in Kombination mit Ultraschallkontrastmitteln durch die Kanäle fließen. Das Gerät wird mit Standard-Photolithographietechniken hergestellt, um den PDMS-basierten fluidischen Chip herzustellen. Ein Ultraschall-Piezoscheibenaufnehmer ist am Gerät befestigt und wird von einem Mikrocontroller angetrieben. Die Baugruppe kann für zusätzlichen Schutz in ein 3D-gedrucktes Gehäuse integriert werden. Zellen und Mikroblasen werden mit einer Spritzenpumpe oder einer peristaltischen Pumpe, die mit PVC-Schläuchen verbunden ist, durch das Gerät geschoben. Eine verbesserte Abgabe von Biomolekülen an menschliche T-Zellen und Lungenkrebszellen wird mit diesem akustofluidischen System nachgewiesen. Im Vergleich zu Massenbehandlungsansätzen erhöht dieses akustofluidische System den Durchsatz und reduziert die Variabilität, was die Zellverarbeitungsmethoden für biomedizinische Forschungsanwendungen und die Herstellung zellbasierter Therapeutika verbessern kann.

Abbildung 1zeigt ein Bild des akustofluidischen Systems, das in einem 3D-gedruckten Gehäuse montiert ist. Dieses Protokoll erzeugt ein akustofluidisches System, das verwendet werden kann, um die intrazelluläre molekulare Abgabe in mehreren Zelllinien mit Ultraschallkontrastmitteln zu verbessern.
Abbildung 2   zeigt eine verbesserte intrazelluläre Abgabe einer fluoreszierenden Verbindung, Fluorescein, an primäre mensch...

Dieses Protokoll beschreibt den Aufbau und Betrieb eines kostengünstigen akustofluidischen Geräts für die schnelle molekulare Abgabe an Zellen durch Sonoporation, die durch Ultraschallkontrastmittel induziert wird.

Aufbau und Betrieb eines akustofluidischen Geräts zur verbesserten Abgabe molekularer Verbindungen an Zellen

Efficient intracellular delivery of biomolecules is required for a broad range of biomedical research and cell-based therapeutic applications. ...

Dieses Protokoll beschreibt den Aufbau und Betrieb eines akustofluidischen Systems, das Effizient Biomoleküle für eine Vielzahl von Forschungs- und zellbasierten therapeutischen Anwendungen liefern kann. Der Hauptvorteil dieses Systems besteht darin, dass es eine schnelle Abgabe von Biomolekülen an Zellen ermöglicht und gleichzeitig ihre Lebensfähigkeit beibehält. Es handelt sich um eine Plattformtechnologie, mit der Zellen für eine Vielzahl von zelltherapeutischen Anwendungen wie die Krebsbehandlung transformiert werden können.Beginnen Sie mit der Kombination von 54 Gramm PDMS-Basis und sechs Gramm Härter in einer Tasse. Mindestens eine Minute lang kräftig und gründlich mit einem Spatel mischen, dann die Tasse mit der PDMS-Lösung für ca. 30 Minuten in einen Trockenlufter geben oder bis die verbleibenden Luftblasen entfernt sind. Legen Sie einen fotolackbeschichteten Wafer mit den nach oben gerichteten Mustern in eine 150-Millimeter-Petrischale und gießen Sie dann die PDMS-Lösung über die Form.Legen Sie die Petrischale bei Bedarf in einen Trockenluft und wenden Sie Vakuum an, bis die verbleibenden Luftblasen verschwinden. Die Petrischale in einen Laborofen geben und zwei Stunden bei 60 Grad Celsius backen, um das PDMS auszuhärten. Entfernen Sie nach dem Aushärten vorsichtig das PDMS aus der Petrischale, indem Sie die Ränder des Wafers mit einer Rasierklinge umschneiden.Schneiden Sie jedes einzelne Gerät mit einem Messer oder einer Rasierklinge aus und stanzen Sie dann mit einem 2,5-Millimeter-Biopsiestempel Löcher durch die Ein- und Auslassöffnungen. Nachdem Sie das PDMS-Gerät mit Sauerstoffplasma behandelt haben, legen Sie jedes Gerät sofort auf einen sauberen Kalknatronglasobjektträger mit Kanälen, die der Glasoberfläche zugewandt sind. Lassen Sie die Geräte über Nacht bei Raumtemperatur verkleben.Tragen Sie Silikon vorsichtig mit einer Dicke von einem bis zwei Millimetern auf die Oberfläche des Piezoaufnehmers mit einem Zentimeter Durchmesser auf, dann den Wandler vorsichtig mit einer konzentrischen Spirale ausrichten und vorsichtig auf den Boden des Glasmikroskopobjektträgers drücken. Schließen Sie einen Mikrocontroller über ein USB-A-zu-B-Kabel an einen Computer an. Eine grüne Led-Betriebsanzeige sollte aufleuchten.Verwenden Sie die zugehörige Software auf dem Computer, um ein Programm hochzuladen, das ein Acht-Megahertz-Signal erzeugt. Löten Sie einen 22-Zoll-Draht an das Ende jedes Drahtes auf dem PZT-Wandler. Verwenden Sie es dann, um das Negativepolkabel des PZT-Wandlers mit einem GND-Pin zu verbinden.Verbinden Sie den Pluspoldraht des PZT-Wandlers über den lötbaren Draht mit dem Ausgangspin. Schneiden Sie drei bis sechs Zoll Abschnitte aus Tygon-PVC-Weichplastikschläuchen und schieben Sie den Schlauch in die Ein- und Auslassöffnungen. Es kann notwendig sein, den Schlauch beim Ausüben von Druck zu drehen, bis er in die Öffnung passt.Optional kann an der Verbindung Klebstoff aufgetragen werden, um PDMS und Schlauch miteinander zu verbinden. Optional montieren Sie das akustofluidische Gerät und den Mikrocontroller in einem 3D-gedruckten Gehäuse. Montieren Sie das mikrofluidische Reservoir gemäß den Anweisungen des Herstellers.Schneiden Sie einen Drei- bis Sechs-Zoll-Abschnitt aus 1/16 Zoll Innendurchmesser Tygon PVC-Weichkunststoffschlauch und schieben Sie ihn über den 1/32 Zoll Innendurchmesser Schlauch aus dem mikrofluidischen Reservoirausgang. Optional wickeln Sie die Verbindung mit Paraffinfolie um, um ein Auslaufen zu verhindern. Füllen Sie eine 60-Milliliter-Spritze mit Umgebungsluft an der Seite des mikrofluidischen Reservoirs.Stellen Sie die Spritzenpumpe auf eine Rate von 200 Millilitern pro Stunde ein, um die Kontrastmittellösungen mit einem Volumenstrom von 50 Millilitern pro Stunde durch das akustofluidische Gerät zu drücken, und sammeln Sie die Proben vom Ausgang des Geräts in ein 50-Milliliter-Zentrifugenrohr. Bereiten Sie eine Phopholipidlösung in einer 20-Milliliter-Szintillationsfläschchen vor, indem Sie 25 Milligramm DSPC, 11,6 Milligramm DSEPC, 0,26 Milligramm DSPG und 0,88 Milligramm Polyoxyethylen40-Stearat hinzufügen. Chloroform hinzufügen, bis alle Phospholipide gelöst sind.Chloroform in einem Dichtmittel 48 Stunden lang verdampfen, um einen trockenen Lipidfilm zu bilden. Rehydrieren Sie den Schaum mit 10 Millilitern sterilem PBS und beschallen Sie dann die Lipidlösung drei Minuten lang bei 40% Amplitude, um eine kationische mizellare Lösung zu bilden. Nach der Beschallung kann die Phopholipidlösung bei zwei bis sechs Grad Celsius bis zu einem Monat gelagert werden.Um Ultraschallkontrastmittel vorzubereiten, fügen Sie 200 Mikroliter kationische mizellare Lösung in 600 Mikroliter sterilem PBS zu einer zwei Milliliter Glasseptum-Durchstechflasche hinzu. Verschließen Sie die Durchstechflasche, indem Sie die Kappe crimpen. Verwenden Sie eine 1,5-Zoll-Nadel mit 20 Gauge, um den Kopfraum der Durchstechflasche 30 Sekunden lang mit Decafluorbutangas zu füllen.Amalgamieren Sie die Durchstechflasche zu perfluorbutangasgefüllten Ultraschallkontrastmitteln. Fügen Sie 25 Mikroliter Ultraschall-Kontrastmittellösung pro Milliliter Zelllösung hinzu. Anschließend pumpen Sie sofort das kombinierte Kontrastmittel und die Zellmischung durch das akustofluidische Gerät.Dieses Protokoll erzeugt ein akustofluidisches System, das verwendet werden kann, um die intrazelluläre molekulare Abgabe in mehreren Zelllinien zu verbessern. Die intrazelluläre Abgabe einer fluoreszierenden Verbindung, Fluorescein, an primäre menschliche T-Zellen wurde mit akustofluidischer Behandlung im Vergleich zu einer unbehandelten Kontrollgruppe verbessert. Die Fluoreszenzintensität der T-Zellen erhöhte sich nach der Behandlung um das Fünffache, was auf eine verbesserte Abgabe von Fluoreszein hindeutet.Die Zelllebensfähigkeit nahm nach einer akustofluidischen Behandlung leicht ab, blieb aber über 80% Die akustofluidische Behandlung verbesserte die intrazelluläre Abgabe einer konservierungsmittelhaltigen Verbindung Trehalose an menschliche A549-Lungenkarzinomzellen im Vergleich zum Fluss allein und zu Zellen in der unbehandelten Kontrollgruppe. Das Hinzufügen der kationischen Mikroblasen zur Zelllösung ist von entscheidender Bedeutung. Die intrazelluläre Abgabe von Biomolekülen wird ohne kationische Mikroblasen in Lösung begrenzt.Diese Plattform ermöglicht die intrazelluläre Verabreichung verschiedener Biomoleküle, die die Zellfunktion für Forschungs- oder therapeutische Zwecke verändern können. Nach Abschluss dieses Verfahrens kann eine zusätzliche zelluläre Charakterisierung durchgeführt werden, um die Auswirkungen der Abgabe verschiedener Biomoleküle zu bewerten.

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Wir haben eine automatisierte Zellkultur und Verhör Plattform für Mikro-Skala-Zell-Stimulation Experimente entwickelt. Die Plattform bietet eine einfache, vielseitige und präzise Kontrolle in den Anbau und die Förderung kleiner Populationen von Zellen und Gewinnen Lysate für molekulare Analysen. Die Plattform wird auch auf Studien, die kostbaren Zellen und / oder Reagenzien geeignet.

Eine vielseitige automatisierte Plattform für Mikro-Skala Handy Stimulation Experimente

Schnelle mechanische Verformung von Zellen als vielversprechender, Vektor-freie Methode für intrazellulären Transport von Makromolekülen und Nanomaterialien entstanden. Dieses Protokoll bietet detaillierte Schritte auf, wie das System für eine breite Palette von Anwendungen.

Zellzusammendrücken als Robust, Mikrofluidik Intrazelluläre Delivery Platform

Wir zeigen eine Mikrofluidik-basierten Assay, um die Zeitskala für Zellen für den Transit durch eine Sequenz von Mikrometermaßstab Verengungen zu messen.

Ein Mikrofluidiktechnik to Cell Verformbarkeit Sonde

Dieses Protokoll beschreibt eine Systemarchitektur für die Durchführung automatisierter Partikeltrennungen mit kleinen Volumina (0,15–1,5 ml) unter Verwendung eines mikrofluidischen Geräts und diskutiert Methoden zur Optimierung der Leistung und des Betriebs von akustofluidischen Geräten.

Einem mikrofluidischen Plattform für Präzisions-Kleinvolumen Probenbearbeitung und seine Verwendung zur Größe Separate biologische Partikel mit einem Acoustic Microdevice

Acoustofluidic Geräte verwenden Ultraschallwellen in mikrofluidischen Kanälen zu manipulieren, zu konzentrieren und suspendierten Mikro- und nanoskopische Einheiten zu isolieren. Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung und den Betrieb einer solchen Vorrichtung bulk acoustic stehenden Wellen tragenden Teilchen in einem zentralen Strömungslinie zu konzentrieren, ohne die Hilfe von Mantelflüssigkeiten.

Herstellung und Betrieb von Acoustofluidic Devices Unterstützung Bulk-Acoustic-Standing Waves für sheathless Fokussierung der Partikel

Zellsphäroide gelten als ein potenzielles Modell im Bereich biologischer Anwendungen. Dieser Artikel beschreibt Protokolle zur skalierbaren Erzeugung von Zellsphäroiden unter Verwendung eines 3D-Akustik-Assemblierungsgeräts, das eine effiziente Methode für die robuste und schnelle Herstellung einheitlicher Zellsphäroide bietet.

Dreidimensionales akustisches Montagegerät für die Massenfertigung von Zellsphäroiden

Erfahren Sie den Aufbau und Betrieb eines akustofluidischen Geräts zur effizienten Abgabe von Biomolekülen an Zellen. Diese Methode ermöglicht schnelle molekulare Zustellung bei erhaltener Zellviabilität für zellbasierte Therapien.

Aufbau und Betrieb eines akustofluidischen Geräts zur verbesserten Abgabe molekularer Verbindungen an Zellen

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