$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
El ensamblaje y la liberación de la interfaz de captura de CTC se pueden evaluar mediante microscopía. Una distribución uniforme de las perlas magnéticas (MB) en la parte inferior del chip HB bajo un campo magnético indica un ensamblaje exitoso, mientras que un mínimo o ningún MB residual confirma una liberación exitosa (Figura 2C). Este paso es fundamental para determinar el rendimiento y la pureza de los CTC capturados. Para validar la eficiencia de captura del chip de aislamiento CTC, realizamos un experimento de pico. Un pequeño número de células tumorales con alta expresión de EpCAM (PC3 o LNCaP) se introdujeron en PBS que contenían una gran población de células Jurkat, que exhiben una baja expresión de EpCAM, simulando la presencia de abundantes células sanguíneas en circulación. El chip de aislamiento de CTC capturó eficientemente las células tumorales de muestras de 1 ml y 10 ml, lo que demuestra su capacidad de clasificación de CTC eficiente y de alto rendimiento (Figura 2D). Para evaluar la especificidad de la captura basada en IMB, utilizamos un chip de control modificado con SA-MB que carecen de conjugación de anticuerpos EpCAM. La ausencia de captura significativa de células tumorales confirmó la especificidad del aislamiento de CTC mediado por IMB (Figura 2D).
Además de la eficiencia de captura, la pureza es otro parámetro crítico para evaluar las plataformas de aislamiento de CTC. Comparamos la pureza de las células tumorales aisladas utilizando el chip de captura o el chip de purificación solo, así como la pureza lograda a través de la selección secuencial positiva y negativa (Figura 2E). Ambos chips mejoraron significativamente la pureza de las células tumorales en comparación con el grupo de control, lo que demuestra su eficacia en el aislamiento de CTC. Más importante aún, el uso combinado de la selección positiva y negativa mejoró aún más la pureza y el rendimiento de las células tumorales en comparación con el uso de un solo método.
Para evaluar más a fondo el rendimiento de los chips de captura y clasificación de CTC en entornos clínicos, recolectamos muestras de sangre periférica (PB) de seis donantes sanos y realizamos experimentos de picos. Dada la abundancia extremadamente baja de CTC en muestras clínicas, se agregaron aproximadamente 500-1000 células LNCaP en cada 10 ml de muestra de PB. Los recuentos de glóbulos blancos en todas las muestras de PB recolectadas estaban dentro del rango normal (4-10 × 106 células / ml). Los resultados demostraron que el sistema de clasificación CTC mantuvo una alta eficiencia de captura y pureza de las células tumorales, incluso cuando se procesaron muestras clínicas (Figura 2F-G y Figura complementaria 2).

Figura 2: Plataforma de captura y purificación de CTC estructurada en espiga. (A) Flujo de trabajo del chip de aislamiento de CTC. Primero, un campo magnético estable e IMB conjugados con anticuerpos EpCAM ensamblan la interfaz de captura. A continuación, la mezcla de vórtices dentro del chip HB mejora la eficiencia de transferencia de masa entre CTC e IMB, lo que facilita la captura acumulada. Finalmente, se logra una liberación suave de CTC eliminando el campo magnético. (B) Flujo de trabajo del chip de purificación CTC. El chip HB se modifica con anticuerpos de selección negativa, y la mezcla de vórtice facilita aún más las interacciones leucocitos-anticuerpos, lo que en última instancia produce CTC altamente purificadas. Barra de escala, 100 μm. (C) Las imágenes microscópicas demuestran el ensamblaje y la liberación exitosos del chip de captura. (D) Los gráficos de barras comparan la eficiencia de captura de CTC de la plataforma de aislamiento en diferentes volúmenes de muestra, utilizando SA-MB no funcionalizados como control. Barras de error, media ± DE, n = 3. (E) Los gráficos de barras comparan la pureza de los CTC obtenidos utilizando un solo chip HB frente a los que se someten a captura y purificación secuenciales. El grupo de control representa la pureza de CTC no tratada. Barras de error, media ± DE, n = 3. (F) Identificación celular en el chip de aislamiento CTC. Las células LNCaP se tiñeron con Hoechst y Calcein AM, mientras que las células sanguíneas se tiñeron solo con Hoechst. Barra de escala, 100 μm. (G) Pureza de las células tumorales y eficiencia de captura en experimentos de aumento utilizando 1 ml o 10 ml de sangre periférica. Barras de error, media ± DE, n = 3. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Las células tumorales aisladas se sometieron posteriormente a secuenciación unicelular de alto rendimiento. Nuestro protocolo incorpora un sistema de código de barras de una sola célula que consta de 60.000 micropocillos anidados (Figura 3A-B). Los micropocillos inferiores de forma cuadrada sirven para capturar células individuales, mientras que los micropocillos superiores están diseñados para la carga de perlas. Cada micropocillo inferior mide 25 μm de largo, ancho y alto, adecuado para la mayoría de los tipos de células. Los pocillos hexagonales superiores tienen un diámetro de círculo inscrito y una altura de 50 μm para acomodar perlas que suelen oscilar entre 30 y 50 μm. El sistema mejora la eficiencia de captura celular basada en la captura acumulativa al tiempo que evita los dobletes celulares a través de los micropocillos de exclusión de tamaño. Para optimizar el protocolo de carga de celdas, investigamos la eficiencia de captura de celdas y la relación de ocupación de micropozos en diferentes condiciones de entrada de celdas (Figura 3C). Los resultados mostraron que el aumento de la entrada de células no disminuyó la eficiencia de captura; más bien, mejoró significativamente la tasa de ocupación. Para el chip de captura de 60,000 pocillos, la tasa de ocupación de micropozos se estabilizó cuando la entrada de la celda alcanzó los 80,000, sin mostrar un aumento adicional con la entrada adicional. Para minimizar la aparición de dobletes debido a la carga excesiva de celdas, seleccionamos 80,000 celdas como la entrada óptima. Como se muestra en la Figura 3D, el chip de código de barras de una sola celda logró una relación de ocupación de celdas del 85,6% y una tasa de ocupación de perlas con código de barras del 95,7%, lo que resultó en una tasa de emparejamiento del 81,9%. Además, se realizaron múltiples asentamientos de acuerdo con el protocolo, lo que mejoró significativamente la eficiencia de captura y la tasa de emparejamiento a través del efecto de captura acumulativo (Figura 3D). En particular, la diferencia observada en las relaciones de ocupación entre las células y las perlas se atribuye a la mayor densidad y masa de las perlas en comparación con las células, lo que les permite asentarse de manera más eficiente en los micropozos por gravedad. Por lo tanto, en condiciones de carga optimizadas, generalmente se considera ideal una tasa de ocupación de emparejamiento de aproximadamente el 80%.

Figura 3: Tecnología de secuenciación y códigos de barras de una sola célula de alto rendimiento basada en micropocillos. (A) Flujo de trabajo del protocolo de secuenciación de CTC único. (B) La microcopia demuestra estructuras microfluídicas de pocillos de captura de perlas unicelulares / con código de barras. Los procesos de captura celular, captura de perlas y recuperación de perlas se muestran de izquierda a derecha. Barra de escala 30 μm. (C) Los gráficos de líneas ilustran la eficiencia de captura celular y la relación de ocupación de micropocillos del chip de código de barras de una sola célula (60000 pocillos dobles) en diferentes condiciones de entrada de células. (D) Tasas de ocupación de celdas y perlas con código de barras en condiciones de entrada de celdas optimizadas, junto con la relación de emparejamiento celda-perla correspondiente. Los paneles izquierdo y derecho muestran el enfoque de captura utilizando múltiples intentos de asentamiento y solo un solo asentamiento, respectivamente. Barras de error, media ± DE, n = 3. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Finalmente, para validar el protocolo integrado para la clasificación de CTC y scRNA-seq, mezclamos células PC3, LNCaP y Jurkat en una proporción estimada de 1:3:4000 y las cargamos en los chips microfluídicos para la captura, purificación y secuenciación de células tumorales. A través de la eficiente plataforma de aislamiento de células tumorales, obtuvimos células tumorales positivas para EpCAM de alta pureza (Figura 4B). Al mismo tiempo, el chip scRNA-seq basado en microfluidos demostró una capacidad precisa de perfil de tipo celular, con los resultados visualizados a través del análisis de inclusión de vecinos estocásticos distribuidos (t-SNE) (Figura 4A). Identificamos con éxito tres poblaciones celulares distintas, cada una de las cuales podría distinguirse por marcadores únicos (Figura 4C). Además, las proporciones de celdas en la salida final coincidían estrechamente con las de la entrada purificada, lo que confirma que el proceso de código de barras de una sola célula fue imparcial y libre de contaminación (Figura 4B). Un grupo se identificó como células Jurkat en función de la expresión específica de TRBC1, IGLL1, CD1E y CD3D (Figura 4D). El análisis de enriquecimiento de vías confirmó aún más la solidez de esta clasificación (Figura 4E). Además, las dos líneas celulares de cáncer de próstata se separaron claramente en grupos individuales de acuerdo con genes expresados diferencialmente (DEG) (Figura 4F-G). El grupo de PC3 se caracterizó por una alta expresión de microseminoproteína (MSMP), también conocida como microproteína secretada por PC3. Por otro lado, el grupo LNCaP expresó de forma única marcadores relacionados con la adhesión celular, la proliferación y la pluripotencia, como NEDD4, CTNNA1 (α-catenina 1) y RBBP7.

Figura 4: Validación de la clasificación de CTC y la secuenciación de una sola célula mediante un experimento de pico. (A) Gráfico t-SNE que muestra el perfil de tipo celular de las células capturadas y purificadas. (B) Gráfico de barras que representa las proporciones de los tres tipos de células en tres etapas: entrada inicial, postpurificación y salida de secuenciación final. (C) Diagrama de puntos que ilustra la expresión de genes marcadores únicos en diferentes grupos celulares. (D) Niveles de expresión de TRBC1, IGLL1, CD1E y CD3D en todas las células. (E) Análisis de enriquecimiento de la vía GO y KEGG de genes expresados diferencialmente (DEG) en el grupo de Jurkat. (F) Patrones de expresión de NEDD4 y MSMP en todas las células. (G) Gráfico volcánico que muestra DEG entre los cúmulos PC3 y LNCaP. Los puntos rojos representan genes regulados al alza en PC3; los puntos azules representan los regulados al alza en LNCaP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Mezcla maestra | Reactivo | Dilución final | Tipo de búfer |
| 0.5% F-68 | F-68 | 0.50% | Agua tratada con DEPC |
| PBS | 1× |
| TE-TW | Tris-HCl (pH = 8,0) | 10 mM | Agua tratada con DEPC |
| EDTA | 1 mM |
| Interpolación-20 | 0.01% |
| 20× TE (pH = 7,5) | Tris-HCl (pH = 7,5) | 200 mM | Agua tratada con DEPC |
| EDTA | 20 mM |
| TE-SDS | Tris-HCl (pH = 8,0) | 10 mM | Agua tratada con DEPC |
| EDTA | 1 mM |
| SDS | 0.50% |
Tabla 1: Composición de la mezcla de reactivos para la preparación de secuenciación de CTC único. Se muestran partes de los reactivos necesarios para scRNA-seq, que se pueden preparar antes de la operación del chip para garantizar un proceso rápido y sin problemas.
Figura complementaria 1: Diseño para el chip HB. (A) Diagrama esquemático de la estructura microfluídica de dos capas. Parte superior: Capa superior con estructura de espiga. Un recuadro ampliado muestra la geometría detallada de la espiga, que está orientada en un ángulo de 45° con respecto a la pared del canal, con un ancho de ranura de 100 μm y un paso de 200 μm. Fondo: Capa inferior compuesta por una matriz de pilares de soporte (28 columnas × 7 filas), numerada de #1 a #28 a lo largo de la dirección del flujo. (B) Vista lateral de la astilla en espiga. Las ranuras en espiga tienen un ancho de 100 μm. Las alturas de las estructuras en espiga y los pilares de soporte son de 50 μm. (C) Vista superior de la astilla en espiga. Cada pilar de soporte mide 500 μm de ancho y 1150 μm de largo, con un espacio de 550 μm entre pilares adyacentes. (D) Fotografía del HB-chip fabricado. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Figura complementaria 2: Imagen representativa que muestra células tumorales teñidas con fluorescencia y células sanguíneas presentes en el líquido de desecho recolectado de la salida del chip de aislamiento de CTC. Las células LNCaP se tiñeron con Hoechst y Calcein AM, mientras que las células sanguíneas se tiñeron solo con Hoechst. Barra de escala 100 μm. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Tabla complementaria: Secuencias de oligonucleótidos utilizadas en la transcripción inversa y la preparación de bibliotecas Haga clic aquí para descargar este archivo.