Article de méthode

Mechano-node-pore Sensing: une plate-forme rapide et sans marquage pour les mesures viscoélastiques multi-paramètres à cellule unique

DOI :

10.3791/64665

⸱

2 décembre 2022

 ,  ,  ,  ,  , 
1Graduate Program in Bioengineering, University of California, Berkeley and University of California, San Francisco, 2Department of Mechanical Engineering, University of California, Berkeley, 3Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Présenté ici est une méthode pour phénotyper mécaniquement des cellules individuelles en utilisant une plate-forme microfluidique basée sur l’électronique appelée détection mécano-nœud-pore (mécano-NPS). Cette plateforme maintient un débit modéré de 1 à 10 cellules/s tout en mesurant les propriétés biophysiques élastiques et visqueuses des cellules.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les propriétés mécaniques cellulaires sont impliquées dans une grande variété de processus biologiques et de maladies, allant de la différenciation des cellules souches aux métastases cancéreuses. Les méthodes conventionnelles de mesure de ces propriétés, telles que la microscopie à force atomique (AFM) et l’aspiration par micropipette (MA), capturent des informations riches, reflétant la réponse viscoélastique complète d’une cellule; Cependant, ces méthodes sont limitées par un très faible débit. Les approches à haut débit, telles que la cytométrie de déformabilité en temps réel (RT-DC), ne peuvent mesurer que des informations mécaniques limitées, car elles sont souvent limitées à des lectures à paramètre unique qui ne reflètent que les propriétés élastiques d’une cellule. Contrairement à ces méthodes, la détection mécano-nœud-pores (mécano-NPS) est une plate-forme microfluidique flexible et sans marquage qui comble l’écart dans la réalisation de mesures viscoélastiques multiparamètres d’une cellule avec un débit modéré. Une mesure en courant continu (DC) est utilisée pour surveiller les cellules lorsqu’elles transitent dans un canal microfluidique, en suivant leur taille et leur vitesse avant, pendant et après qu’elles soient forcées à travers une constriction étroite. Cette information (c.-à-d. la taille et la vitesse) est utilisée pour quantifier la déformation transversale, la résistance à la déformation et la récupération de chaque cellule. En général, cette plate-forme microfluidique basée sur l’électronique fournit de multiples propriétés de cellule viscoélastique, et donc une image plus complète de l’état mécanique d’une cellule. Parce qu’elle nécessite une préparation minimale des échantillons, utilise une mesure électronique simple (contrairement à une caméra haute vitesse) et tire parti de la fabrication standard par lithographie douce, la mise en œuvre de cette plate-forme est simple, accessible et adaptable à l’analyse en aval. La flexibilité, l’utilité et la sensibilité de cette plate-forme ont fourni des informations mécaniques uniques sur une gamme variée de cellules, avec le potentiel de nombreuses autres applications en science fondamentale et en diagnostic clinique.

Introduction

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Les cellules individuelles sont des matériaux dynamiques et viscoélastiques1. Une multitude de processus internes et externes (par exemple, l’apparition de la mitose ou le remodelage de la matrice extracellulaire [ECM]), influencent leur structure et leur composition 2,3,4, ce qui entraîne souvent des propriétés biophysiques distinctes qui complètent leur état actuel. En particulier, les propriétés mécaniques se sont révélées être des biomarqueurs importants du développement cellulaire, de la physiologie et de la pathologie, fournissant des information....

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Protocole

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Concevoir la géométrie de l’appareil

  1. Choisissez la largeur des segments de dimensionnement et de récupération afin qu’elle soit plus large que le diamètre des plus grandes cellules à mesurer, tout en maintenant un rapport signal sur bruit (SNR) suffisant. Voir le tableau supplémentaire 2 pour des exemples de différentes largeurs de dimensionnement et de segment de récupération pour diverses lignées cellulaires.
  2. Choisissez la largeur du segment de contraction pour appliquer une souche de 30% à 40% à la taille moyenne des cellules qui doivent subir un mécanophénotypage. La déformation est définie par

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Résultats

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La plateforme de mécano-phénotypage présentée ici est une approche simple et polyvalente pour mesurer les propriétés biophysiques de cellules individuelles à débit modéré. Les cellules circulent dans le canal microfluidique (Figure 1A) en utilisant un flux entraîné par pression constante. Au fur et à mesure que les cellules transitent, la longueur du canal microfluidique et les impulsions de courant produites sont enregistrées à l’aide du matériel d’acquisition de données. Le signal acquis (.......

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Discussion

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La mesure des propriétés mécaniques de cellules individuelles à l’aide de cette technique de mécanophénotypage comprend trois étapes: la fabrication du dispositif, l’acquisition de données et l’analyse des données. À chaque étape, il y a des aspects notables qui peuvent avoir un impact significatif sur les résultats expérimentaux. Lors de la fabrication des appareils, des géométries de canaux cohérentes et une uniformité d’un appareil à l’autre sont essentielles pour obtenir des résultats précis et reproductibles. Plus p.......

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

L. L. S détient le brevet américain n ° 11,383,241: « Mechano-node-pore sensing », J. Kim, S. Han et L. L. Sohn, délivré le 12 juillet 2022.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Cette recherche a été financée par des subventions du NIBIB 1R01EB024989-01 et du NCI 1R01CA190843-01. A. L. et R. R. ont bénéficié d’une bourse de recherche d’études supérieures de l’Association H2H8. K. L. C. a été soutenu par une bourse de recherche d’études supérieures de la National Science Foundation et une bourse Siebel Scholar.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AcétoneJ.T. Baker5356-05Pureté (GC)  ; &ge ; 99.5 % (https://us.vwr.com/store/product/6057739/acetone-99-5-vlsi-j-t-baker)
Feuille d’aluminiumn/an/a n/a
Filtre passe-bas analogiqueThorLabsEF504&le ; Bande passante 240 kHz, passage coaxial BNC  ; (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=EF504#ad-image-0)
Poinçon de biopsieIntegra Miltex33-31AA-P/251mm, jetable, avec piston (https://mms.mckesson.com/product/573313/Miltex-33-31AA-P25)
Lamen/an/a
Câble BNCPomona Electronics2249-C-12https://www.digikey.com/en/products/detail/pomona-electronics/2249-C-12/603323?utm_adgroup=Coaxial%20Cables%20%28RF%29&utm_source=google&utm_
moyen=CPC& utm_campaign=
Shopping_Product_Cable %20Assemblies_NEW& utm_term=
& utm_content=Coaxial %20Câbles %20%28RF %29& gclid=Cj0KCQjwlK-WBhDjARIsAO2sErQqnVJ
pj5OXVObuTI8ZUf1ZeIn7zvzGnx
mCWdePrG6SdEJMF3X6ubUaAs
w-EALw_wcB
Écouvillon en polyester pour salle blancheThermo Fisher Scientific18383https://www.fishersci.com/shop/products/texwipe-cleantip-alpha-polyester-series-swabs-6/18383
Préamplificateur de courantDL Instruments1211https://www.brltest.com/index.php?main_page=product_info&products_
id=1419
PCB personnalisé (avec composants)n/an/avoir Fichiers supplémentaires 4 et 5
Bloc de connexion DAQNational InstrumentsBNC-2120https://www.ni.com/en-in/support/model.bnc-2120.html
câble DAQ vers BNC-2110  ;National InstrumentsSHC68-68-EPMhttps://www.ni.com/en-in/support/model.shc68-68-epm.html
Carte d’acquisition de données (DAQ)National InstrumentsPCI-6251https://www.ni.com/docs/en-US/bundle/pci-6251-feature/page/overview.html
DessicatorThermo Fisher Scientific5311-0250https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/5311-0250
Femelle Adaptateur BNC vers prise bananePomona Electronics72909https://www.digikey.com/en/products/detail/pomona-electronics/72909/1196318
sérum de veau fœtal (FBS)VWR89510-186https://us.vwr.com/store/product/18706419/avantor-seradigm-select-grade-usda-approved-origin-fetal-bovine-serum-fbs
coupe-verreChemglassCG-1179-21https://chemglass.com/plate-glass-cutters-diamond-tips
Etchant Gold TFATranseneNC0977944https://www.fishersci.com/shop/products/NC0977944/NC0977944
chauffanteThermo Fisher ScientificSP131825  ;
Pureté du spectre del’alcool isopropyliqueI1056-4LTPL(GC)  ; &ge ; 99,5 % (https://www.spectrumchemical.com/isopropyl-alcohol-99-percent-fcc-i1056)
Boîtier de quincaillerie métalliqueHammond ManufacturingEJ12126https://www.digikey.com/en/products/detail/hammond-manufacturing/EJ12126/2423415
MéthanolSigma-Aldrich34860Pureté (GC)  ; &ge ; 99,8 % (https://www.sigmaaldrich.com/IN/en/substance/methanol320467561)
MF-321Développeur Kayaku Advanced Materialsn/ahttps://kayakuam.com/products/mf-321/
MICROPOSIT S1813 PhotoresistDuPontn/ahttps://kayakuam.com/products/microposit-s1800-g2-series-photoresists/
Phosphate Buffered Saline (PBS)Thermo Fisher Scientific10010049https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10010049?SID=srch-hj-10010049
PhotomaskFineline Imagingn/aLes photomasques sont commandés sur mesure à partir de nos conceptions CAD (https://www.fineline-imaging.com/)
Lame de microscope en verre ordinaireFisher Scientific12-553-5BMatériau : Chaux sodée, L75 x L50 mm, Épaisseur : 0,90 &ndash ; 1,10 millimètre  ;
Nettoyeur plasmaHarrick PlasmaPDC-001https://harrickplasma.com/plasma-cleaners/expanded-plasma-cleaner/
Boîte de Pétri en plastiqueThermo Fisher ScientificFB0875712100 mm (https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-petri-dishes-clear-lid-raised-ridge-100-x-15mm/FB0875712)
Régulateurde pression FluigentMFCS-EZhttps://www.fluigent.com/research/instruments/pressure-flow-controllers/mfcs-series/
Logiciel de régulateur de pressionFluigentMAESFLO
Programmation & Logiciel de calculMATLABR2021bpour l’acquisition et l’analyse de données (https://www.mathworks.com/products/matlab.html)
Tube en PTFECole Parmer06417-310.032 » ID x 0.056"  ;( https://www.coleparmer.com/i/masterflex-transfer-tubing-microbore-ptfe-0-032-id-x-0-056-od-100-ft-roll/0641731)
Scepter 2.0 Compteur de cellules automatique portableMillapore SigmaPHCC20060https://www.sigmaaldrich.com/IN/en/product/mm/phcc20060
Silicon WaferWorld288576,2 mm, Simple Face Poli (https://www.waferworld.com/product/2885)
Spin Coatern/an/a
SU-8 3025 Photorésine négativeKayaku Advanced Materialsn/ahttps://kayakuam.com/products/su-8-2000/
SU8 DéveloppeurKayaku Advanced Materialsn/ahttps://kayakuam.com/products/su-8-developer/
Sygard 184 PolydiméthalysiloxaneDow Chemical4019862https://www.ellsworth.com/products/by-market/consumer-products/encapsulants/silicone/dow-sylgard-184-silicone-encapsulant-clear-0.5-kg-kit/
RubanScotch810-341296https://www.staples.com/Scotch-Magic-Tape-810-3-4-x-36-yds-1-Core/product_130567?cid=PS:GS:SBD:PLA:OS&gclid=
Cj0KCQjwlK-WBhDjARIsAO
2sErRwzrrgjU0NjFkDkne1xm
vT7ekS3tdzvAgiMDwPoxocgH
VTQZi7vJgaAvQZEALw_wcB
Titane, Platine, Orn/an/a
Triple sortie AlimentationKeysightE36311Ahttps://www.newark.com/keysight-technologies/e36311a/dc-power-supply-3o-p-6v-5a-prog/dp/15AC9653
Masque UVSuss AmericaMJB3 Masque Gouttière  ;
plaque positive Karl

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Pegoraro, A. F., Janmey, P., Weitz, D. A. Mechanical properties of the cytoskeleton and cells. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 9 (11), 022038(2017).
  2. Kim, J., et al. Characterizing cellular mechanical phenotypes with mec....

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Mots-clés

Visco lasticit cellule uniquePlateforme microfluidiquePh notypage m caniqueMesure sans marquageD formation cellulaireMesure lectroniquePropri t s m caniques cellulairesAnalyse en avalLithographie douce

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