En este artículo se presenta un chip de microfluidos para el análisis de células individuales. Permite la cuantificación de las proteínas intracelulares, enzimas, cofactores, y segundos mensajeros por medio de ensayos fluorescentes o inmunoensayos.
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En este artículo se presenta un chip de microfluidos para el análisis de células individuales. Permite la cuantificación de las proteínas intracelulares, enzimas, cofactores, y segundos mensajeros por medio de ensayos fluorescentes o inmunoensayos.
Se presenta un dispositivo de microfluidos que permite la determinación cuantitativa de biomoléculas intracelulares en múltiples células individuales en paralelo. Para este propósito, las células están atrapados pasivamente en el medio de una microcámara. Tras la activación de la capa de control, la célula se aísla del volumen que rodea en una pequeña cámara. El volumen que rodea a continuación, puede ser intercambiado sin afectar a la célula aislada. Sin embargo, al abrirse corta y cierre de la cámara, la solución en la cámara puede ser sustituido dentro de unos pocos cientos de milisegundos. Debido a la reversibilidad de las cámaras, las células pueden ser expuestos a diferentes soluciones secuencialmente de una manera altamente controlable, por ejemplo, para la incubación, el lavado, y finalmente, la lisis celular. Las microcámaras bien cerrados permiten la retención del lisado, minimizar y controlar la dilución después de la lisis celular. Desde la lisis y el análisis se producen en el mismo lugar, se retiene una alta sensibilidad porque no más lejos dilution o pérdida de los analitos se produce durante el transporte. Por tanto, el diseño microcámara permite el análisis fiable y reproducible de un número muy reducido de copias de moléculas intracelulares (attomoles, zeptomoles) liberadas por las células individuales. Además, muchos microcámaras pueden estar dispuestos en un formato de matriz, permitiendo el análisis de muchas células a la vez, dado que los instrumentos ópticos adecuados se utilizan para el seguimiento. Ya hemos utilizado la plataforma para los estudios de prueba de concepto para analizar las proteínas intracelulares, enzimas, cofactores y segundos mensajeros en forma cuantificable, ya sea relativa o absoluta.
Muchos estudios en el pasado han revelado diferencias entre células dentro de una población de células grandes 1-3, en particular, la señalización de los procesos 4, o las cantidades de biomoléculas intracelulares tales como proteínas, metabolitos, 5,6 y 7,8 cofactores. Estas heterogeneidades se considera que son de importancia fundamental para la adaptación celular y la evolución 9, sino que también juegan un papel clave en la aparición y el tratamiento de enfermedades como el cáncer 10-13. Por lo tanto, los estudios sobre el nivel de una sola célula son de gran interés en la investigación biológica y farmacológica, en particular si estos estudios revelan las diferentes respuestas de las células después del tratamiento con sustancias químicas bioactivas.
En los últimos años, muchas plataformas analíticas se han desarrollado que facilitan el análisis de células vivas individuales o la composición química del contenido de la celda. Mientras que células activadas por fluorescencia (FACS) es el oro StAndard para el análisis de muy alto rendimiento de células vivas individuales, el método no puede ser empleado para la cuantificación de compuestos intracelulares o secretadas. La aparición de plataformas de microfluidos ha prometido estrategias analíticas novedosas para el posicionamiento, el tratamiento y la observación de las células individuales. Un hito en la microfluídica se alcanzó con la integración de las válvulas de PDMS flexibles realizadas por Quake y compañeros de trabajo 14,15. Estas válvulas son útiles ya que pueden aislar a las regiones en el chip, por ejemplo, separar dos culturas 16. Además, son especialmente aplicable para el análisis de células individuales y, por tanto, ayudan a reducir los problemas de dilución del analito. La potencia de este enfoque para el análisis de una sola célula se ha demostrado recientemente por Hansen y compañeros de trabajo, que analizaron la expresión de genes de cientos de células individuales en paralelo 17.
Cuando el objetivo proteínas y metabolitos, el análisis es muy difícil debido a la falta de un adecuadométodos mplification, el gran número de diferentes compuestos presentes, y sus variaciones en la naturaleza química. Además, se espera que la mayoría de biomoléculas intracelulares a estar presentes en bajo número de copias en el orden de unos pocos diez miles 18, por lo tanto, el método analítico utilizado debe tener una alta sensibilidad. Ensayos más potentes, como los inmunoensayos y los inmunoensayos ligados a enzimas (ELISA) son difíciles de integrar en los dispositivos de microfluidos, ya que requieren varios pasos de lavado y de incubación, así como la inmovilización de superficie.
Debido a estos desafíos, no es sorprendente que sólo unos pocos ejemplos han sido reportados donde las proteínas o metabolitos se cuantificaron en el nivel de una sola célula. Por ejemplo, los estudios sobre la secreción de compuestos fluorescentes han sido reportados 19,20. Recientemente, la aplicación con ELISA se presentó para el análisis de secretadas (no fluorescentes) proteínas a partir de un cultivo de células (THP-1 células) 21 y solo (immune) células 10. Orientación de las proteínas intracelulares, Shi et al. Desarrolló un dispositivo de microfluidos que facilitó la identificación de proteínas intracelulares para el análisis de las vías de señalización en las células tumorales por medio de un inmunoensayo 11. Sin embargo, se determinaron sólo cantidades relativas de las proteínas y no hay amplificación enzimática se utilizan para aumentar la señal para las proteínas de baja abundancia.
Recientemente, hemos sido capaces de combinar un microdispositivo captura de una sola célula con ensayos de fluorescencia 8 e inmunoensayos 22 (Figura 1). Las células están atrapados pasivamente en las estructuras de vallas micronizada, que permiten el suministro y el intercambio (rápida) de medio y otros agentes químicos sin ningún movimiento de las células. Una válvula en forma de anillo alrededor de cada trampa permite el aislamiento de la célula en un volumen muy pequeño ("la microcámara"). Esta válvula se acciona inmediatamente después de la introducción de un tampón de lisis celular (hipoosmolar), sena vez que la prevención de moléculas intracelulares o moléculas secretadas a difundir lejos. Lo más importante, debido al pequeño tamaño del volumen (625 PL) se evita gran dilución de las moléculas. Además, puesto que la lisis y análisis se llevan a cabo en en la misma posición en el chip, no hay pérdida de analitos debido al transporte. El diseño de chips descrito aquí tiene 8 filas alternas de 7 ó 8 microcámaras, por un total de 60 microcámaras. Las cámaras son accionados en filas, de manera que se impide la contaminación cruzada a lo largo de una línea.
La plataforma se puede utilizar en combinación con ensayos de fluorescencia, así como ensayos inmunológicos (Figura 1D). Para este último, hemos establecido protocolos para la inmovilización de los anticuerpos, que son compatibles con la producción de chips y proceso de montaje. De ahí que la plataforma se abre el camino para ensayos sensibles, fiables y cuantificables a nivel de células individuales. Hasta ahora, se ha utilizado el dispositivo para el análisis de la ienzimas ntracellular y secretadas (cuantificación relativa mediante ensayos enzimáticos), cofactores intracelulares, proteínas y pequeñas moléculas (cuantificación absoluta por ensayos de punto final o ELISA). En lo que sigue, se describe el proceso de fabricación de chips por medio de litografía blanda de múltiples capas y los protocolos para los patrones de los anticuerpos por medio de la impresión por microcontacto y química de superficie. Además, se dan algunos ejemplos de uso de chips y las operaciones.
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1. SU-8 de fabricación Maestro
Preparar dos moldes maestros para los canales (de fluidos y control, para esquemas y dimensiones ver Figura 2) con el siguiente protocolo pero con diferentes patrones de máscara. El proceso se muestra en la Figura 3a.
2. Fabricación Maestro para la impresión por microcontacto
3. La fabricación del chip de microfluidos
Un diseño de dispositivo de dos capas se utiliza para estos experimentos. Las dos capas se preparan por separado y se unen entre sí, antes de que el chip se une finalmente en un portaobjetos de vidrio (Figura 3b). Este paso se describe la producción de las capas de PDMS y el sello de PDMS para la impresión por microcontacto.
4. Vinculación a la diapositiva de cristal
Para utilizar el dispositivo para ensayos enzimáticos directos, el único paso necesario después de la unión es el bloqueo de las superficies. Para este protocolo, proceda a A. Sin embargo, para utilizar el chip de microfluidos para inmunoensayos o ELISA, por favor consulte el protocolo B para restringir los sitios de unión sólo en la placa de vidrio (es decir, para la microscopía TIRF o SPR). Si esta restricción no es importante, consulte a A, pero el uso de conjugados con biotina en el paso 4.3 y continúe con el paso 4.8en el protocolo B para crear una superficie completamente funcional.
Antes de realizar el protocolo A y B: Se recomienda para filtrar todas las soluciones de proteínas usadas antes de introducirlos en el chip. Escombros y de proteína agregados pueden de otro modo bloquear trampas de células, reduciendo así el número de cámaras que se pueden utilizar para el análisis. Para este fin, utilizar una unidad de filtro de adsorción no proteico para filtrar todas las soluciones antes de su introducción en los canales.
Protocolo A (ensayos enzimáticos)
Protocolo B (inmunoensayos)
Para obtener una visión completa de la modificación de la superficie del paso 4.7 en adelante, por favor consulte la Tabla 1.
5. Experimentos de células
El protocolo está escrito en términos generales debido a la variedad de posibles ensayos. A modo de ejemplo se indican los reactivos necesarios para el ensayo de toxicidad G6PDH. La eficiencia de las células atrapando inicial del dispositivo es de alrededor de 2,5%, es decir, 5 de cada 200 células quedarán atrapados. La ocupación final de las trampas de células depende fuertemente de la línea celular utilizada, el protocolo de suspenderla línea celular y el tiempo, las células se lavan a través del canal. Para células que crecen naturalmente en suspensión (tales como U937), células individuales se pueden encontrar en aproximadamente el 75% de las cámaras después de unos pocos minutos. Las otras cámaras, o bien no están llenos, o ocupadas por dos o más células. En general, la ocupación de una sola célula es más pequeño para líneas de células adherentes. Cuando se utiliza el protocolo de suspensión más bien leve que aquí se presenta, el porcentaje disminuye a aproximadamente 30% (HEK, células MLT). La ocupación de una sola célula puede ser mejorada por tratamiento con tripsina de las células, pero esto también puede alterar los resultados de los experimentos.
Dependiendo de la molécula diana, adsorción o absorción de PDMS pueden influir en los resultados. La adsorción se puede reducir mediante el bloqueo de las superficies con BSA o PLL-g-PEG. La absorción es poco probable para la mayoría de las biomoléculas hidrófilas, pero debe ser revisado para (pequeñas) componentes celulares lipofílicas.
Protocolo A (ensayos enzimáticos)
Nota: Elija cualquier tampón que es adecuado para el ensayo, sin embargo, ten en mente que los detergentes fuertes (como Triton, SDS) las células lisan inmediatamente y dará lugar a una pérdida del analito durante la apertura de la cámara.
Protocolo B (inmunoensayos)
Para una breve descripción de los experimentos de ELISA de células (tasas de flujo, el estado de la cámara, etc), por favor consulte la Tabla 1.
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Nuestra plataforma es capaz de analizar una variedad de intracelular, así como moléculas secretadas presentes en o producidos por células individuales. Aquí, nos gustaría presentar diferentes estudios ejemplo para subrayar la variedad de posibles ensayos. Daremos un ejemplo para una enzima secretada (Figura 5a), así como una enzima intracelular (Figura 5b) y proteína (Figuras 5C y D). Para más ejemplos, como cofactores o pequeñas moléculas, consulte Eye...
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Tecnología microfluídica ha abierto nuevas y fascinantes posibilidades para el análisis de una sola célula. En particular, la posibilidad de atrapar e inmovilizar las células individualmente por herramientas microfluídicos ha permitido estudios sistemáticos a corto y largo plazo sobre las propiedades de una sola célula y la respuesta. Además, la encapsulación de células en microgotas de alta frecuencia, generados en un microchip, ha permitido estudios de secreción de células individuales, que no se pueden realizar con l...
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Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.
Los autores agradecen Tom Robinson para la prueba de lectura del manuscrito, C. Bärtschi y H. Benz para la construcción del sistema de control de presión a medida. También nos gustaría reconocer el uso de las instalaciones de sala limpia primero y el Centro de Microscopía de luz (LMC), tanto en la ETH Zürich. El trabajo fue financiado por Merck Serono y el Consejo Europeo de Investigación (CEI) a través del Programa Marco de séptima (ERC Starting Grant, el proyecto no. 203428, nμLIPIDs).
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| REACTIVOS: | |||
| Nombre de la empresa de reactivos Número de | catálogo | Comentarios (opcional) | |
| SU-8 2015 | MicroChem Corp. (Netwon, MA) | n.a.1H,1H,2H,2H-Perfluorodecil-dimetilclorosilano | |
| ABCR (Karlsruhe, Alemania) | AB103608 | ||
| 4-Methylumbelliferyl β-D-N,N′-hidrato de diacetilquitobiósido | Sigma Aldrich | M9763 | |
| Acetona | Merck VWR (Darmstadt, Alemania) | 100014 | |
| Avidin | AppliChem (Axon Lab AG) | A-2568 | |
| AZ 1518 | AZ Electronic Materials (Wiesbaden, Alemania) | n.a.AZ | |
| 726 developer | AZ Electronic Materials (Wiesbaden, Alemania) | n.a. | |
| Albúmina sérica bovina | Sigma Aldrich | A-4503 | |
| Albúmina sérica bovina, biotina | Sigma Aldrich | A-8549 | |
| Tampón de disociación celular | Invitrogen | 13151-014 | |
| Hexametildisilazano (HDMS) | Sigma Aldrich | 40215 | |
| Ácido clorhídrico | Fluka | 84422 | |
| Isopropanol | Merck VWR (Darmstadt, Alemania) | 109634 | |
| Cloruro de magnesio hexahidratado | Fluka | 63068 | |
| MR developer 600 | Microresist technology GmbH (Berlín, Alemania) | n.a.PBS | |
| Invitrogen | 10010-031 | ||
| PLL-g-PEG injertado | SuSoS, (Dü bendorf, Suiza) | n.a.PLL-g-PEG | |
| biotina injertada | SuSoS, (Dü bendorf, Suiza) | n.a.Cloruro | |
| de potasio | Fluka | 60132 | |
| Proteína G, biotina | Sigma Fine Chemicals | 41624 | |
| Oblea de silicio | Si-Mat (Kaufering, Alemania) | n.a.Sylgard | |
| 184 Kit de elastómero de silicona (PDMS) | Dow Corning | 39100000 | |
| Tris(hidroximetil)-aminometano | Biorad | ||
| Tween 20 | Biorad | 1706531 | |
| EQUIPMENT: | |||
| Nombre del material | Número de catálogo | la empresa | Comentarios (opcional) |
| 0.22 µ m Filtro de jeringa PES | TRP | 99722 | |
| 1/1,5 mm perforadora de biopsia | Miltex, York PA | 33-31AA/33-31A | |
| Cell Trics filter 20 µ m | Partec | 04-004-2325 | |
| Centrífuga Sigma 3-18K | Kuehner | n.a.Placa | |
| calefactora HP 160 III BM | Sawatec, Sax, Suiza | n.a.MA-6 | |
| alineador de máscaras | Karl Suess | n.a.Microscopio | |
| Multizoom AZ100M | Nikon Corporation | n.a.Photomask | |
| Microlitho, Essex, Reino Unido | n.a | ||
| Limpiador de plasma PDC-32G | Harrick | n.a.Recubridor | |
| centrifugado Modell WS-400 BZ-6NPP/LITE | Laurell | n.a.Módulos | |
| de centrifugado SM 180 BM | Sawatec, Sax, Suiza | n.a.Perfilador | |
| pasos Dektak XT Advanced | Bruker | n.a.Bomba | |
| de jeringa neMESYS | Cetoni | n.a. |
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