Mechano-node-pore Sensing: une plate-forme rapide et sans marquage pour les mesures viscoélastiques multi-paramètres à cellule unique
2 décembre 2022
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.
Nous présentons une plate-forme microfluidique basée sur l’électronique pour le phénotypage mécanique de cellules individuelles. Plus précisément, nous mesurons les propriétés élastiques et visqueuses d’une seule cellule à un débit allant jusqu’à 10 cellules par seconde. Notre méthode nécessite une préparation minimale des échantillons, utilise une mesure électronique simple, remplaçant le matériel optique coûteux et l’analyse d’images complexes, et est non destructive, ce qui signifie que notre approche est compatible avec les analyses en aval.
Le mécano-NPS a été appliqué à de nombreux types de cellules, y compris les échantillons primaires, et a mesuré l’effet des composants subcellulaires sur la viscoélasticité d’une seule cellule. Il pourrait être utilisé pour comprendre le comportement cellulaire, déterminer la progression de la maladie ou surveiller la réponse aux médicaments. Pour commencer, retirez les composants traités au plasma de la chambre à plasma.
Pipeter une solution deux pour un de méthanol et d’eau désionisée sur le substrat de verre avec des électrodes préfabriquées. Placez ensuite le moule PDMS avec le côté caractéristique vers le bas sur le substrat en verre. Placez l’appareil sous le stéréoscope pour ajuster l’alignement.
Faites cuire l’appareil aligné pour terminer la fabrication de l’appareil. Préparez la source de pression, le circuit imprimé, le matériel de paillasse et le logiciel d’acquisition de données. Ensuite, alignez les broches d’en-tête des pinces avec les trous du circuit imprimé et alignez les broches chargées par ressort des pinces avec les plaquettes de contact des électrodes sur le dispositif microfluidique.
Insérez ensuite les goupilles d’en-tête des pinces dans les trous du circuit imprimé, en vous assurant que les broches chargées par ressort restent alignées avec les plaquettes de contact des électrodes. Configurez et connectez le matériel électronique. Ensuite, définissez les valeurs pour initialiser la session d’acquisition de données et définissez la fréquence d’échantillonnage pour l’acquisition.
Culture et préparation des cellules selon le protocole de culture cellulaire approprié de la lignée cellulaire de choix. Ensuite, mettez les cellules en suspension dans une solution préparée de 2% FBS et 1X PBS à une concentration comprise entre 100 000 et 500 000 cellules par millilitre. Gardez les cellules sur la glace pendant toute la durée des expériences.
Pour charger les cellules dans le dispositif microfluidique, coupez 30 centimètres de tube en polytétrafluoroéthylène avec une lame de rasoir. Utilisez une seringue pour déposer l’échantillon de cellule à l’extrémité du tube et connectez la même extrémité à l’entrée de l’appareil. Enfin, connectez l’extrémité opposée du tube au régulateur de pression microfluidique.
Pour exécuter l’expérience, réglez la pression motrice constante souhaitée sur le logiciel du régulateur de pression et laissez l’échantillon remplir le dispositif. Si des bulles se forment dans les canaux microfluidiques, utilisez un remplissage sans issue. Branchez la prise de l’appareil et appliquez une faible pression à l’entrée pour forcer l’air à sortir à travers le PDMS perméable aux gaz.
Réglez ensuite la tension souhaitée en tournant le bouton de tension sur l’alimentation et activez la tension en appuyant sur le bouton marche. Allumez le préamplificateur de courant et réglez la sensibilité aussi faible que possible. Vous pouvez également régler le gain aussi haut que possible sans surcharger le préamplificateur ou dépasser la tension d’entrée analogique maximale du DAQ.
Appuyez sur le bouton vert Exécuter dans le menu du ruban MATLAB pour lancer le script d’acquisition de données NPS. m, et commencez à échantillonner et à enregistrer les données. Pour terminer l’expérience, appuyez sur le bouton Stop dans le coin inférieur gauche de la fenêtre de tracé en direct pour terminer le script d’acquisition de données.
Désactivez ensuite la sortie du bloc d’alimentation en appuyant sur le bouton On. Enfin, réglez la source de pression sur zéro pression dans le logiciel du régulateur de pression. Pour l’analyse des données, le signal brut doit avoir un rapport signal sur bruit suffisant pour filtrer le bruit et extraire les composants significatifs.
De manière critique, l’élévation du signal de courant à partir de chaque nœud doit être suffisamment robuste pour que les sous-impulsions puissent être facilement identifiées à partir du signal de différence. Les cellules malignes MCF-7 ont une plus grande distribution wCDI que les cellules MCF-10A non malignes, ce qui indique que les cellules malignes MCF-7 sont plus molles que leurs homologues MCF-10A non malignes. Les cellules MCF-10A et MCF-7 traitées avec de la latrunculine montrent une augmentation de l’ICDw.
Une distribution distincte wCDI différenciant les deux types de cellules primaires indique que les cellules LEP sont plus molles que les cellules MEP. Les MCF-10A non malins et les MCF-10A et MCF-7 non traités ont une plus grande proportion de cellules qui se rétablissent instantanément, ce qui indique une viscosité inférieure à celle de leur homologue malin ou traité à la latrunculine. Si la lecture du courant en direct semble anormale, arrêtez votre expérience et inspectez le canal microfluidique.
Assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles d’air et pas de sabots tels que les cellules circulent librement de l’entrée à la sortie. Parce que notre méthode ne nuit pas aux cellules, des analyses en aval comme le séquençage de l’ARN ou l’immunofluorescence peuvent être effectuées. Cela pourrait aider à découvrir certaines raisons sous-jacentes pour lesquelles les cellules ont des phénotypes mécaniques distincts.
Consultez la transcription complète et accédez à des milliers de vidéos scientifiques
Aperçu
Cet article présente une méthode pour phénotyper mécaniquement des cellules individuelles en utilisant une plateforme microfluidique basée sur l'électronique connue sous le nom de détection par nœud-pore mécanique (mechano-NPS). La plateforme permet la mesure des propriétés élastiques et visqueuses des cellules à un débit allant jusqu'à 10 cellules par seconde, facilitant une préparation minimale des échantillons et une analyse non destructive.
Composants clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neuroscience
- Biologie cellulaire
- Microfluidique
Contexte
- Le mechano-NPS est une plateforme innovante pour étudier la mécanique des cellules individuelles.
- La méthode permet l'analyse de divers types de cellules, y compris des échantillons primaires.
- Elle fournit des informations sur les propriétés viscoélastiques des cellules.
- L'approche est compatible avec les analyses en aval, augmentant son utilité dans la recherche.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode pour le phénotype mécanique des cellules individuelles.
- Mesurer efficacement les propriétés élastiques et visqueuses des cellules.
- Faciliter la compréhension du comportement cellulaire et de la progression des maladies.
Méthodes utilisées
- Plateforme microfluidique basée sur l'électronique pour l'analyse cellulaire.
- Mesure de la viscoélasticité des cellules individuelles.
- Préparation minimale des échantillons requise.
- Mesure non destructive compatible avec des analyses ultérieures.
Résultats principaux
- Mesure réussie des propriétés élastiques et visqueuses de divers types de cellules.
- Application démontrée du mechano-NPS dans l'étude des composants subcellulaires.
- Potentiel pour surveiller les réponses aux médicaments et comprendre les mécanismes des maladies.
Conclusions
- Le mechano-NPS est un outil précieux pour le phénotype mécanique des cellules.
- La plateforme offre une alternative rentable aux méthodes traditionnelles.
- Elle ouvre de nouvelles voies pour la recherche en mécanique cellulaire et en biophysique.
Questions fréquemment posées
Executive Industry Relevance
Mechano-node-pore sensing (mechano-NPS) enables rapid, label-free, multi-parameter viscoelastic profiling of single cells, addressing the need for higher-throughput, quantitative mechanical phenotyping in discovery-stage biopharma R&D. By providing both elastic and viscous measurements at moderate throughput with minimal sample preparation, this platform supports predictive confidence in target validation and mechanistic de-risking. Its compatibility with downstream analyses positions it as a reusable capability for portfolio-wide biological interrogation and risk-adjusted advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of cell mechanical phenotypes relevant to disease progression and drug response.
- Supports functional target validation by distinguishing cell states based on viscoelastic properties.
- Facilitates mechanistic de-risking by linking subcellular components to measurable biophysical outputs.
- Provides multi-parameter data to inform predictive confidence and triage in early discovery.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, label-free mechanical phenotyping assays for downstream compound screening.
- Delivers standardized, reproducible, and quantitative viscoelastic readouts for assay development.
- Enables moderate-throughput screening readiness without reliance on complex optical systems.
- Supports reliable evaluation of compound effects on cell mechanics.
Translational & Preclinical Research
- Aligns mechanical phenotyping with disease-relevant cellular states for translational biomarker exploration.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by enabling downstream molecular analyses.
- Provides risk-adjusted data for advancement decisions based on biophysical cell state changes.
- Offers predictive de-risking for mechanistic hypotheses in disease models.
Pipeline & Workflow Integration
Mechano-NPS integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking at the single-cell level.
- Discovery Biology: Quantifies viscoelastic properties to test mechanistic hypotheses and clarify disease pathways.
- Screening: Provides reproducible, quantitative outputs for compound evaluation and assay standardization.
- Analytics: Generates multi-parameter measurements (size, deformation, recovery) for robust statistical comparison.
- Translational Research: Supports biomarker alignment and downstream molecular profiling of phenotyped cells.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for repeated use across diverse cell types and programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable, and reproducible mechanical phenotyping with minimal sample prep.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by providing actionable biophysical data early.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement across multiple discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, electronics-based measurement, and data analysis.
- Needs access to standard soft lithography fabrication and electronic data acquisition infrastructure.
- Demands cross-team standardization for sample preparation and data interpretation.
- Adaptable to a range of cell types and compatible with downstream molecular analyses.
- Throughput is moderate (up to 10 cells/sec), balancing depth of measurement with screening needs.
