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La méthode de photo-modèle décrite ici permet d'organiser précisément les cellules cultivées en colonies de formes et de tailles définies. Le succès de cette procédure devrait être clairement évident immédiatement après la procédure d'ensemencement cellulaire (étape 3.7) que les cellules adhérants se regroupera selon la conception du photomasque comme indiqué dans la figure 2a. À 1 h après l'ensemencement cellulaire, les modèles individuels peuvent ne pas être entièrement confluents (seulement quelques cellules par modèle), cependant, comme les cellules prolifèrent au fil du temps, les modèles deviendront entièrement colonisés avec seulement très peu de cellules en dehors des surfaces adhésives (Figure 2b). L'aspect exact de la culture dépendra de la lignée cellulaire. Par exemple, le MESC forme des colonies en forme de dôme10. Une puce dont le modelage n'est pas clair 1 à 2 h après l'ensemencement cellulaire indique l'échec de la procédure (Figure 2c,d).
Les grandes colonies épaisses peuvent parfois être difficiles à tacher de façon homogène. Nous suggérons de fixer et de perméabilize les cellules en une seule étape (section 4) car cela peut améliorer la pénétration des anticorps29. C'est la raison pour laquelle la solution fixative choisie contient un détergent. La figure 3 montre le signal de fluorescence qui est attendu après l'immunostaining. Notez que les cellules positives Id1 brillantes se trouvent dans les régions denses (régions brillantes des PNJ) des colonies (figure 3A). Des conseils comme celui-ci sont utiles pour évaluer la qualité de la procédure de coloration des anticorps. Notez également que les micromodèles créés avec la technique actuelle sont autofluorescents. Ce signal (figure3A, B à gauche la plupart des images) est utile au cours de l'étape d'analyse pour enregistrer spatialement les colonies les unes avec les autres et créer les résultats indiqués dans la figure 5. Le signal d'autofluorescence est généralement le plus brillant lorsque l'échantillon est excité avec un laser de 405 nm et ce canal doit être laissé sans coloration à cet effet. La figure 3 montre également comment les cellules sont précisément limitées sur des motifs de différentes formes.
L'analyse des données d'imagerie est effectuée dans PickCells, un logiciel libre et open-source développé dans notre laboratoire (Blin et al., en préparation). Ce logiciel comprend les modules d'analyse d'images pour lire et trier les images confocales (Figure 4-1), pour segmenter ( Figure4-4-4) et curatez les objets segmentés (figure 4-3,4-5), pour calculer l'objet caractéristiques telles que les coordonnées ou l'intensité moyenne (figure 4-6) et d'exporter les données (figure4,4-8). Fait important, nous avons mis au point une méthode robuste de segmentation nucléaire appelée Nessys28, qui convient particulièrement aux populations denses et hétérogènes de cellules telles que les cellules cultivées sur des micromodèles (Figure 3). Figure 4 -2 montre une sortie représentative du module Nessys où chaque cellule est donnée avec précision une identité de couleur unique. Seule une édition minimale devrait être nécessaire, mais l'édition est faisable si l'utilisateur le décide (Figure 4-3). Enfin PickCells fournit un certain nombre de modules de visualisation pour visualiser les données. Un exemple est donné dans la figure 4-6: une colonie en forme d'anneau est rendue en 3D où les noyaux sont codés en couleur en fonction de leur position le long de l'axe z. Une fois l'analyse validée dans PickCells, les données peuvent être exportées pour créer les cartes spatiales en R en utilisant les scripts disponibles à (https://framagit.org/pickcellslab/hexmapr) comme indiqué dans la figure 530.
Nous avons montré récemment que le confinement spatial du MESC sur de petits (30 000 m2) de micropatterns de disque ou d'ellipse guide le modelage d'une sous-population de cellules exprimant le marqueur mésodermal Tbra10. Ainsi, pour illustrer notre méthode ici, nous demandons si le modelage de Tbra peut être influencé par la signalisation BMP dans les grandes colonies (90 000 m2). La figure 5A montre que lorsque le MESC est cultivé sur de grands micropatterns à disques, les cellules TbraMD sont préférentiellesment limitées à la périphérie du motif (carte de densité de Tbra), où la densité cellulaire locale est la plus faible (voir la carte bleue à gauche de la figure 5A ). Ce modelage de Tbra est confirmé par la carte de l'intensité moyenne de Tbra.
Ces données démontrent que la méthode peut révéler des informations sous-visuelles. En effet, à partir de la figure 3, l'inspection visuelle d'une colonie n'est pas suffisante pour identifier toute forme d'organisation spatiale dans l'expression De Tbra. Cela s'explique notamment par l'importante variabilité de la colonie à la colonie qui est quantifiée et montrée dans le panneau le plus à droite de la figure 5A.
La technique montre également qu'il n'existe pas de modèle détectable pour Id1 (une cible de signalisation BMP) qui peut indiquer que le modelage T n'est pas entraîné par la signalisation BMP dans ce contexte.
Le micro-patterning permet de forcer les colonies à adopter presque n'importe quelle géométrie désirée. Ceci est particulièrement utile pour interroger la façon dont le système réagit à diverses géométries. Par exemple, nous pouvons raisonner que si un gradient morphogène s'accumule au centre de la colonie, la création d'un trou dans la colonie perturberait ce gradient. Fait intéressant, nous observons toujours le modelage sur un micromotif d'anneau, mais d'une manière moins robuste (Figure 5B).

Figure 1 : Aperçu de la méthode. Le diagramme montrant les principales étapes de la méthode. Pour chaque étape, le temps estimé est indiqué sous le nom de la tâche et un schéma illustre le but de la procédure. Une référence à un chiffre pertinent est également fournie lorsqu'elle est disponible. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : Aspect culturel 1 h et 48 h après l'ensemencement des cellules sur des micromodèles. Images brightfield de mESC ensemoir sur des micromodèles. (a) Organisation cellulaire prévue 1 h après l'ensemencement, les modèles doivent être clairement identifiables. (b) Résultat attendu après 48 h de cultures. mESC ont proliféré et sont encore strictement confinés aux formes de modèle. (cd) Les résultats non optimaux possibles, soit très peu de cellules adhèrent au plastique, sauf à la périphérie de la diapositive (c) ou les cellules adhèrent entre les modèles (d). Voir le tableau 2 pour un guide de dépannage. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Images confocales représentatives de colonies immunostained cultivées sur des micromodèles.
Colonies mESC représentatives après immunofluorescence pour (A) Id1 et Nuclear Pore Complex ou (B) Tbra et LaminB1. Pour chaque coloration, une colonie cultivée sur un micromodèle de disque et une colonie cultivée sur un micromotif d'anneau est montrée. Les canaux individuels sont fournis sous forme d'images à l'échelle grise. Notez le signal clair d'autofluorescence du micromotif (excitation laser de 405 nm). La barre d'échelle représente 50 m. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4 : Graphique de flux de la procédure d'analyse d'image. Une liste d'images confocales 3D est importée dans PickCells pour analyse (1). Cet exemple montre une expérience avec deux formes distinctes (disques et anneaux comme dans la figure 2). La convention de nommage d'image s'affiche sur la gauche et l'interface PickCells à droite. Ensuite, le module Nessys est utilisé pour segmenter automatiquement les noyaux (2). Dans la capture d'écran, chaque noyau individuel reçoit une couleur unique indiquant une segmentation précise. L'autofluorescence du motif est également segmentée, cette fois, à l'aide du module de segmentation de base (4). L'arrière-plan apparaît en bleu et le signal blanc sera défini comme la forme du motif. Les formes segmentées sont ensuite inspectées visuellement pour assurer une segmentation précise, et éditées si nécessaire à l'aide du module d'éditeur de segmentation (3-5). Les captures d'écran montrent le contour des formes détectées. Les formes roses et jaunes ont été modifiées. Enfin, les entités d'objets sont calculées et exportées vers le fichier pour être ensuite traitées en R (6-7). Une capture d'écran d'une colonie rendue en 3D est fournie (6). Pour les étapes 2 à 6, les icônes trouvées dans l'interface PickCells au moment de la rédaction de cet article sont données à côté de l'index d'étape. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5 : Résultats représentatifs de deux facteurs de transcription et de formes de micro-modèles différents
Carte spatiale binée pour le MESC cultivé pendant 48 h sur (A) micropatterns en forme de disque ou (B) micropatterns en forme d'anneau. Pour chaque forme de micromodèle, la carte de la densité cellulaire, quel que soit le phénotype cellulaire, est montrée sur la gauche avec une échelle de couleur bleue. Ensuite, pour chaque marqueur (Tbra sur la rangée supérieure et Id1 sur la rangée inférieure), trois cartes distinctes sont fournies, de gauche à droite: carte de densité cellulaire des cellules exprimant des marqueurs seulement (analyse basée sur le seuil), la carte de l'intensité moyenne du marqueur (log2) et la carte de la déviation standard de l'intensité du marqueur. Les intensités sont données en tant qu'unités de fluorescence arbitraires. Pour chaque carte, la forme du micromotif est donnée sous forme de contour blanc. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| Type ECM | Gélatine | Fibronectine | Matrice de membrane de sous-sol |
| concentration | Concentration d'ECM | 1 mg/ml | 20 g/mL | 200 g/mL |
| Concentration de Poloxamer 407 | 500 g/mL | 400 g/mL | 1 mg/ml |
| Testé avec | MESC (en) | ouais | ouais | ouais |
| mEpiSC (en) | non | ouais | ouais |
| Milieu sans sérum | non | ouais | ouais |
Tableau 1 : Concentrations testées de poloxamer 407 et d'ECM. Ce tableau donne un aperçu des concentrations d'ECM et de poloxamer 407 que nous avons testées dans notre laboratoire. Pour chaque combinaison ECM/poloxamer 407, le type de cellule pour lequel le modelage a été atteint avec succès est montré ainsi que si la culture contenait du sérum ou non. mESC - cellule souche embryonnaire de souris, mEpiSC - cellule souche d'épiblaste de souris.
| procédure | observation | Question possible | solution |
| Micropatterning | Faible attachement cellulaire | inapproprié ECM/poloxamer 307 concentration ratio | Augmenter le ratio de concentration ECM/poloxamer 307 |
| Temps d'attachement cellulaire trop court | Augmentez le temps d'incubation pour donner suffisamment de temps aux cellules pour qu'elles adhèrent correctement aux modèles (étape 3.4). Pour optimiser cette étape, la vérification des cellules au microscope peut aider à détecter un changement dans la morphologie cellulaire indiquant que les cellules ont commencé à adhérer. |
| Lavages trop intenses (étape 3.6) | Lors du remplacement du milieu, évitez de faire du tuyauterie directement sur les copeaux. Au lieu de cela, légèrement pipet le milieu sur les murs du puits à la place |
| Les cellules adhèrent entre les modèles | inapproprié ECM/poloxamer 307 concentration ratio | Diminuer le ratio de concentration ECM/poloxamer 407 |
| Temps d'attachement cellulaire trop long | Diminuer le temps d'incubation (étape 3.4). |
| Lavages inefficaces (étape 3.6) | Secouer la plaque vigoureusement est généralement suffisant pour détacher les cellules en excès. Pour les types de cellules qui ont tendance à adhérer fortement à la puce, pipetting directement sur la puce peut améliorer les résultats. L'augmentation du nombre de lavages peut également aider, notamment pour s'assurer qu'aucune cellule ne reste flottante dans le milieu après cette étape. |
| Les cellules ne suivent pas strictement la forme du modèle | Géométrie du type de cellule et du motif 'Incompatibles' | Planifiez/concevez plusieurs géométries/tailles à ajouter au photomasque pour être en mesure de tester et d'identifier la taille optimale du modèle pour une forme de modèle et un type de cellule donnés. S'il vous plaît, voir la section «Limitations» dans la discussion |
| Photo-patterning non-optimal, ceci peut être diagnostiqué en observant la netteté du signal d'autofluorescence. Les limites des motifs devraient être nettes comme dans la fig. 2. Si les bordures des motifs semblent floues, l'étape de photo-modèle doit être améliorée. | Les bords flous du motif indiquent que la glissière en plastique n'était pas assez proche de la surface du masque pendant l'étape d'éclairage. Assurez-vous que les pièces qui tiennent les diapositives sur le photomask sont uniformes et qu'une pression constante et suffisante est appliquée à l'assemblage pendant la procédure d'illumination. |
| Coloration | Coloration non homogène | temps d'incubation des anticorps trop court | Augmenter le temps d'incubation des anticorps (jusqu'à 24h à température ambiante) |
| colonies aplaties pendant la procédure de montage | Le micromotif de montage glisse dans une chambre telle que le chamlide ou le cytoo-chambres pour exécuter l'immunostaining et l'imagerie sans avoir besoin de monter les cellules. Cela permettra de mieux préserver les colonies 3D-structure. |
| Détachement des colonies pendant la procédure de coloration | Dewetting de la puce | Laisser assez moyen ou utiliser 2 pipettes, l'une pour enlever le milieu et l'autre pour ajouter la solution fraîche |
| Les colonies apparaissent cisaises sous le microscope | colonies ont été cisaises tout en montant la puce sur la diapositive de microscopie | Soyez très doux lors du montage des copeaux. Alternativement, montez des diapositives de micropatterns dans une chambre telle que le chamlide ou les cytoochambers pour exécuter l'immunostaining et l'imagerie sans avoir besoin de monter les cellules. Cela préserve également l'ultrastructure de la colonie. |
Tableau 2 : Guide de dépannage. Ce tableau donne un aperçu des résultats sous-optimaux possibles. Les sources potentielles des problèmes sont également énumérées ainsi que les solutions recommandées.