פרוטוקול לתרבות ומניפולציה של רקמת עובר עכבר על שבב microfluidic מסופק. על ידי החלת פולסים של אפננים מסלול, מערכת זו יכולה לשמש כדי לשלוט חיצונית תנודות איתות לחקירה פונקציונלית של סמיטוגנזה עכבר.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
פרוטוקול לתרבות ומניפולציה של רקמת עובר עכבר על שבב microfluidic מסופק. על ידי החלת פולסים של אפננים מסלול, מערכת זו יכולה לשמש כדי לשלוט חיצונית תנודות איתות לחקירה פונקציונלית של סמיטוגנזה עכבר.
פילוח תקופתי של המזודרם הפרזומיטי של עובר עכבר מתפתח נשלט על ידי רשת של מסלולי איתות. תנודות איתות ושיפועים נחשבים לשלוט על התזמון והמרווח של היווצרות קטע, בהתאמה. בעוד מסלולי איתות המעורבים נחקרו בהרחבה בעשורים האחרונים, ראיות ישירות לתפקוד של איתות תנודות בשליטה סומיטוגנזה כבר חסר. כדי לאפשר חקירה פונקציונלית של דינמיקת איתות, microfluidics הוא כלי שהוקם בעבר עבור אפנון עדין של דינמיקה זו. עם זה microfluidics מבוסס entrainment גישה אנדוגני איתות תנודות מסונכרנות על ידי פולסים של אפננים מסלול. זה מאפשר אפנון של, למשל, תקופת התנודה או את הפאזה-יחסים בין שני מסלולים מתנדנדים. יתר על כן, שיפועים מרחביים של אפננים מסלול ניתן להקים לאורך הרקמה כדי ללמוד כיצד שינויים ספציפיים בשיפועי איתות להשפיע על סמיטוגנזה.
הפרוטוקול הנוכחי נועד לעזור ליצור גישות מיקרופלואידיות עבור המשתמשים הראשונים של מיקרופלואידיקה. העקרונות הבסיסיים והציוד הדרושים להקמת מערכת מיקרופלואידית מתוארים, וניתן עיצוב שבב, שאיתו ניתן להכין תבנית לייצור שבבים בנוחות באמצעות מדפסת תלת-ממד. לבסוף, כיצד לתרבות רקמת עכבר ראשית על שבב microfluidic וכיצד לאמן תנודות איתות לפולסים חיצוניים של אפננים מסלול נדונים.
מערכת מיקרופלואידית זו יכולה להיות מותאמת גם לאספקת מערכות מודל אחרות של vivo ו - vio במבחנה כגון gastruloids ו organoids לחקירה פונקציונלית של דינמיקת איתות ושיפועי מורפוגן בהקשרים אחרים.
הפיתוח נשלט על ידי תקשורת בין-תאית באמצעות מסלולי איתות. יש רק מספר מוגבל של מסלולי איתות המתזמרים היווצרות מורכבת של רקמות ובידול תאים נכון במרחב ובזמן. כדי לווסת את ריבוי התהליכים, מידע יכול להיות מקודד בדינמיקה של מסלול איתות, שינוי מסלול לאורך זמן, כגון תדירות או משך של אות 1,2.
במהלך סמיטוגנזה, רקמה סומיטית מחולקת מעת לעת מן mesoderm presomitic (PSM)3. ה- PSM מאורגן באופן מרחבי על ידי שיפועים של Wnt, גורם גדילה פיברובלסט (FGF) ואיתות חומצה רטינואית. ב- PSM הקדמי בחזית הקביעה, כאשר אותות Wnt ו- FGF נמוכים, התאים מוכנים לבידול לסומיטים. הבחנה מתרחשת כאשר גל של הפעלה תמלולית מגיע לחזית קביעה זו. בתוך PSM, Wnt, FGF, ו Notch איתות תנודה. תאים שכנים מתנדנדים מעט מחוץ לפאזה, מה שגורם לגלים של הפעלה תמלולית מתנדנדת במורד הזרם של מסלולי Wnt, FGF ו- Notch הנוסעים מהחלק האחורי ל- PSM הקדמי. בעוברי עכבר, גל תמלול מגיע לחזית הקביעה בערך כל 2 שעות ויוזם היווצרות מוכה. לימוד סומיטוגנזה על ידי הפרעה או הפעלה של מסלולי איתות יכול להמחיש את החשיבות של מסלולים אלה4,5,6,7,8,9. עם זאת, כדי להיות מסוגל לחקור את הפונקציה של דינמיקת איתות בשליטה של התנהגות הסלולר, זה חיוני כדי לווסת בעדינות נתיבי איתות במקום להפעיל או לעכב אותם לצמיתות.
כדי לווסת זמנית את פעילות מסלול האיתות בתוך עובר העכבר פילוח, Sonnen ואח ' פיתחו מערכת מיקרופלואידית10. מערכת זו מאפשרת שליטה הדוקה של זורם נוזלים בתוך מיקרוצנלים של שבב המכיל את המדגם הביולוגי11. כדי ללמוד את החשיבות של דינמיקת איתות עבור פילוח נכון של PSM, התקנה זו microfluidics מנוצל כדי לווסת את הדינמיקה איתות של שעון פילוח העכבר ex vivo. על ידי מפעילי מסלול פועם ברצף או מעכבים לתוך תא התרבות, שליטה חיצונית של הדינמיקה של Wnt, FGF, ו Notch איתות מושגת10. לדוגמה, ניתן לשנות את התקופה של מסלולים בודדים ואת יחסי הפאזה בין מסלולי איתות מתנדנדים מרובים. באמצעות הדמיה בזמן אמת בו זמנית של כתבי איתות דינמיים, ניתן לנתח את ההשפעה של אימון על המסלולים עצמם, על בידול ועל היווצרות סומיט. באמצעות רמה זו של שליטה על דינמיקת איתות, החשיבות של יחסי הפאזה בין Wnt - ו Notch איתות מסלולים במהלך somitogenesis הודגש10.
עיצובי שבבים מותאמים אישית מאפשרים שפע של אפשרויות להפרעות מרחביות בתוך הסביבה המקומית, למשל, היווצרות שיפוע יציבה12,13,14,15, הפעלה/עיכוב פועם10,16,17,18 או הפרעות מקומיות19,20 . Microfluidics יכול גם לאפשר קריאה לשחזור יותר ותפוקה גבוהה יותר עקב אוטומציה של טיפול ניסיוני21,22,23. הפרוטוקול הנוכחי נועד להביא מיקרופלואידיקה ו entrainment של תנודות איתות אנדוגני בתוך רקמות לכל מעבדת מדעי החיים סטנדרטית. גם בהיעדר ציוד מתוחכם לייצור שבבים, כגון חדר נקי וציוד לליתוגרפיה רכה, ניתן לייצר שבבים מיקרופלואידיים ולהשתמש בהם כדי לענות על שאלות ביולוגיות. ניתן לעצב תבניות באמצעות תוכנת עיצוב (CAD) הזמינה באופן חופשי בעזרת מחשב. תבנית לייצור שבבים מיקרופלואידיים, המורכבת בדרך כלל מפולידימתילסילוקסן (PDMS), ניתנת להדפסה עם מדפסת תלת-ממד, או להזמין מחברות הדפסה. בדרך זו, שבבים microfluidic ניתן לייצר בתוך יום אחד ללא הדרישה של ציוד יקר24. כאן, עיצוב שבב מסופק, שבו עובש עבור entrainment של שעון פילוח העכבר בתרבויות ex vivo דו-ממדי (2D) ex vivo25 ניתן להדפיס עם מדפסת 3D.
תרביות על שבב ו ההפרעות המדויקות, המופעלות על ידי מיקרופלואידיקה, מחזיקות בפוטנציאל יוצא מן הכלל בפענוח המנגנונים המולקולריים של האופן שבו מסלולי איתות שולטים בהתנהגות רב-תאית. דינמיקת איתות ושיפועי מורפוגן נדרשים לתהליכים רבים בפיתוח. בעבר, מעבדות היו תאים תרבית, רקמות ואורגניזמים שלמים שבבים microfluidic ופרוטוקולים עבור הפרעה spatiotemporal של תרבית תאים דו-ממדיים בעיקר מסופקים במקומות אחרים 12,26,26,27,28,29. החלת מיקרופלואידיקה לווסת סביבות מקומיות במערכות רב-תאיות פותחת נקודות מבט חדשות עבור הפרעות מרחביות בעלות תפוקה גבוהה ומדויקות. תחום המיקרופלואידיקה הגיע כעת לנקודה שהוא הפך לכלי לא מומחה, זול וישים בקלות לביולוגים התפתחותיים.
כאן, פרוטוקול עבור entrainment של שעון פילוח העכבר לפולסים של מעכב איתות חריץ מסופק. ניסוי כזה מורכב מהשלבים הבאים: (1) ייצור שבב מיקרופלואידי, (2) הכנת צינורות וציפוי של השבב, ו-(3) הניסוי המיקרופלואידי עצמו (איור 1A). מחקרים הקשורים למערכות מודל בעלי חוליות דורשים אישור אתי מוקדם מהוועדה האחראית.
המחקר המוצג כאן אושר על ידי ועדת האתיקה של EMBL10 והוועדה ההולנדית לחקר בעלי חיים (dierenexperimentencommissie, DEC), ועוקב אחר הנחיות הוברכט לטיפול בבעלי חיים.
יש ללבוש כפפות תוך כדי עבודה עם PDMS נוזלי. לכסות משטחים וציוד. הסר כל דליפות מיד, כמו ניקוי הופך להיות קשה ברגע שהוא התקשה.
1. דור השבב
הערה: שבבים מיקרופלואידיים נוצרים על ידי יציקת PDMS (Polydimethylsiloxane) בתבנית. ניתן לעצב תבניות באמצעות תוכנת CAD (למשל, uFlow או 3DμF30). מאגר של עיצובים בחינם מסופק על ידי MIT (Metafluidics.org). תבניות מודפסות במדפסת תלת-ממד או יכולות להיווצר על ידי ליטוגרפיה רכה באמצעות מסכת צילום המכילה את העיצוב הרצוי (למידע נוסף ראו, למשל, Qin et al., 201031). כאן מסופק עיצוב לעובש שניתן להדפיסו עם מדפסת תלת-ממד לתרבות על השבב של רקמת עובר העכבר (איור 1B,C, Files משלימים 1 ו-2). כדי לאפשר הדפסה עם מדפסות תלת-ממד ברזולוציה נמוכה יותר, העיצוב השתנה בהשוואה ל- one10 שפורסם בעבר. עובש ללא מלכודות בועת אוויר ואחד עם מלכודות בועת אוויר מסופק (קבצים משלימים 1 ו 2, בהתאמה). מאחר שההליך להדפסה תלוי במדפסת הזמינה, הפרטים להדפסה לא יתואר. עם זאת, יש לוודא כי כל שרף לא פולימרי מוסר לחלוטין. לעתים קרובות הוא נדרש לבצע כביסה נוספת עם ממיסים כדי להסיר שרף לא פולימרי מן החורים הקטנים <200 מיקרומטר בתוך התא microfluidic. חורים אלה ייצרו עמודי PDMS כדי ללכוד את הרקמה העוברית בתוך השבב במהלך הניסוי. PDMS משמש בדרך כלל עבור microfluidics, כפי שהוא זול, תואם ביולוגית, ושקוף, ויש לו autofluorescence נמוך. לאחר הריפוי, שבב ה-PDMS נחתך מהתבנית ומחובר למגלשת זכוכית. טיפול בפלזמה הן של הזכוכית והן של שבב ה- PDMS מפעיל את המשטחים ומאפשר היווצרות של קשרים קוולנטיים, כאשר הם באים במגע.
2. הכנת ניסוי במיקרופלואידיקה
הערה: שלבי ההכנה הבאים נחוצים כדי לבצע את הניסוי microfluidics: ראשית, בעת ביצוע הניסוי microfluidics, זרימת נוזלים נוצרת מן הכניסות לשקעים. כל חור בשבב יתפקד כשקעים בשל הצטברות הלחץ מהמפרצונים. לכן, כל החורים שאינם בשימוש חייבים להיות סגורים; למשל, חורים המשמשים לטעינת רקמות על השבב. אם אלה לא סגורים, הרקמה עלולה לזרום החוצה עם הנוזל. כדי לסגור חורים אלה, צינורות מלאים PDMS משמש. צינורות מלאים PDMS ניתן לשמור ללא הגבלת זמן, ולכן, לא יהיה צורך להיות מוכן לכל ניסוי microfluidics בנפרד, אבל יכול להיעשות בקבוצות גדולות יותר. שנית, לפני תחילת הניסוי המיקרופלואידי, צינורות, צינורות מלאים PDMS והשבב, הנדרש לניסוי, מוכנים ומעוקרים UV. לבסוף, השבב צריך להיות מצופה פיברונקטין, כך הרקמה העוברית יכולה להתחבר זכוכית25.
3. ניסוי מיקרופלואידיקה
הערה: כאן, פרוטוקול עבור entrainment של שעון פילוח העכבר בתרבויות ex vivo 2D על ידי החלת פולסים של מעכב איתות חריץ DAPT מוצג. החלת פולסים עם פרק זמן של 130 דקות, קרוב לתקופה הטבעית של שעון פילוח העכבר (137 min25), מאפשרת אימון יעיל. פולסים של 100 דקות בינוניות ו-30 דקות של 2 מיקרומטר DAPT מוחלים (איור 2A). הנוכחות של תרופה בתוך השבב מנוטר באמצעות צבע פלואורסצנטי. ספקטרום העירור והפליטה של צבע זה וכתב איתות פלואורסצנטי חייב להיות שונה מספיק כדי למנוע דימום דרך במהלך הדמיה פלואורסצנטית בזמן אמת. כאשר חלבונים פלואורסצנטיים צהובים משמשים ככתב איתות, כגון כתב איתות חריץ LuVeLu5 (שוליים מטורפים-ונוס-מטורף), הצבע, Cascade כחול, ניתן ליישם. כדי לזהות שילובים אפשריים אחרים של צבע פלואורסצנטי וכתב, ניתן להשתמש במציג הספקטרום הזמין באופן חופשי. ההשפעה של אימון ניתן לזהות על ידי הדמיה בזמן אמת של כתבים איתות דינמי 5,10,32. לכל שבב יש שני תאי דגירה. זה מאפשר השוואה ישירה של פולסים סמים (DAPT) כדי לשלוט פולסים (DMSO).
עם פרוטוקול זה, מוצגת שיטה לאימון חיצוני של תנודות איתות של שעון פילוח העכבר באמצעות מיקרופלואידיקה. על ידי החלת פולסים של מעכב איתות Notch, איתות תנודות בתרבויות עובר עצמאיות לקבל מסונכרן זה לזה10. תנאי מוקדם ליישום של מערכת זו כדי ללמוד את הפונקציונליות של שעון הפילוח הוא כי דינמיקת איתות וסגמנטציה עדיין קיימים על שבב. בעבר הוכח כי הן דינמיקת האיתות של Wnt והן של Notch נשמרות למרות זרימה בינונית מתמדת ויצירת גבולות פיזיים נמשכת בתרבויות דו-ממדיות היקפיות, המייצגות את PSM10 הקדמי.
כדי לאשר אימון של תנודות איתות לפולסים תרופתיים חיצוניים, הדמיה בזמן אמת של, למשל, כתב איתות Notch LuVeLu5, המבטאת את החלבון הפלואורסצנטי הצהוב ונוס, במהלך הניסוי המיקרופלואידי מבוצעת. מאז אוריינטציה של תרביות 2D על שבב קשה לשלוט, תנודות איתות ברקמה הקדמית מנותחים. ניתן לזהות את הפריפריה של התרבות הדו-ממדית. הכיוון של מקטעי הרקמה על השבב לא ניתן לשלוט כרצונו ואת כל פני השטח הפנימיים של השבב מקבל מצופה פיברונקטין. לכן, זה קורה מדי פעם כי תרבויות לצרף את הצדדים או התקרה של השבב. במקרה שהדגימות יוצאות משדה הראייה (בכיוון x, y ו- z) או שהן מתחברות לקצה האחורי של הזנב הפונה כלפי מטה, בדרך כלל דגימות אלה אינן נכללות.
לניתוח נוסף, משולבים מספר רב של ניסויי אימון כאלה. ניסויים עצמאיים יכולים להיות מיושרים זה לזה באמצעות התזמון של פולסים סמים דמיינו על ידי הצבע, Cascade כחול, על כ 400 ננומטר. כדי לנתח ולהציג סינכרון באופן חזותי, ניתן לבטל תנודות מכמתות (איור 2B,D) ולאחר מכן להציגן כממוצע וניתן לחשב סטיית תקן או שלבים של התנודות. זה מאפשר ניתוח של יחסי הפאזה בין תנודות של תרבויות עובר אחוריות עצמאיות זה לזה לבין פולסים סמים חיצוניים (איור 2C,E). התוכנית המבוססת על פיתון pyBOAT33 היא כלי פשוט וידידותי למשתמש כדי לקבוע תקופה, שלב, משרעת של תנודות איתות כאלה. כדי לאשר אימון, אפשר, למשל, לקבוע את התקופה של תנודות איתות אנדוגני. בעת החלת פולסים בפרק זמן של 130 דקות, תנודות איתות נוטש מציגות גם פרק זמן של 130 דקות (איור 2F)10. בנוסף, באמצעות פולסים כחולים מפל, ניסויים עצמאיים עם כתבי איתות שונים יכולים להיות מיושרים זה לזה. בדרך זו ניתן לקבוע בעקיפין את יחסי הפאזה בין תנודות של כתבי איתות מרובים.
לכן, המערכת המיקרופלואידית המוצגת מאפשרת שליטה על תנודות איתות בתרבויות ex vivo של עובר העכבר המתפתח. בשילוב עם הדמיה של סמנים להיווצרות קטע ובידול, מערכת זו יכולה כעת להיות מיושמת כדי לנתח כיצד מסלולי איתות של שעון הפילוח אינטראקציה וכיצד הם שולטים היווצרות somite.

איור 1: סקירה סכמטית של פרוטוקול המיקרופלואידיקה. (A) ניתן לתכנן תבניות שבבים באמצעות תוכנת תכנון בעזרת מחשב (CAD). עיצוב שבב כדי לאמן תנודות איתות בדגמי ex vivo של עכבר סמיטוגנזה מסופק. תבניות יכולות, למשל, להיווצר על ידי הדפסה בתלת-ממד או לפי הזמנה. שבבים מיקרופלוידיים מיוצרים על ידי דפוס של PDMS. שבב PDMS מוקשח נחתך ונקשר באופן קוולנטי למגלשת זכוכית באמצעות תנור פלזמה. משטח הזכוכית בתוך השבב מצופה פיברונקטין כדי לאפשר לרקמה המנותחת להתחבר. רקמה עוברית נטענת על השבב באמצעות מפרצונים טעינה, אשר נסגרים לאחר מכן. משאבות עם תנאי מדיה שונים מחוברות לכניסות השבב ותוכנית זרימה מאותחלת. ניתן לצלם רקמות באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי במהלך הניסוי. (קימוגרפיות מעובדות מתוך Sonnen et al., 201810. הודפס מחדש ושונה מהתא בהתאם לייחוס Creative Commons CC BY-NC-ND 4.0.) (B) ציור סכמטי של עיצוב עובש לתרבות על שבב של רקמת עובר עכבר אחורית. הגובה של הערוצים המיקרופלואידיים הוא 500 מיקרומטר, מספיק לתרבות זנבות העכבר העובריים האחוריים. הקובץ להדפסת תבנית זו מסופק בקובץ משלים 1, ואלטרנטיבה ניתנת בקובץ משלים 2. (ג) תמונת ברייטפילד של זנב עכבר חתוך E10.5 המוקף בעמודי PDMS על השבב. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: תוצאות מייצגות מניסוי מיקרופלואידיקה. (א) ייצוג סכמטי של ניסוי אימון עם משאבה בינונית ותרופות. פולסים של אפנן מסלול איתות מוחלים על תרבויות ex vivo של עוברי עכבר ואת תנודות איתות ניתן לדמיין על ידי הדמיה בזמן אמת של כתבים איתות דינמי (למשל, נוטש איתות כתב LuVeLu5 ו Wnt איתות כתב Axin2T2A10). קווים מקווקווים מציינים את האזור המשמש לניתוחים לאורך זמן. (ב-פ) תנודות כתב LuVeLu הם entrained על ידי פולסים תקופתיים של DAPT מעכב איתות Notch. (ב,ד) כימותים של תנודות איתות חריץ ב- PSM הקדמי בעת אימון באמצעות DAPT או פקד DMSO. (ג,ה) התוויות קשר פאזה-פאזה בין השלב של תנודות איתות Notch ואת התזמון של פולסים DAPT / DMSO חיצוניים. במקרה של אימון, נוצר קשר פאזה יציב. (ו) כימות התקופה הממוצעת ו- SEM של תנודות עיתונאיות המשווה דגימות המורכבות עם פולסים DMSO ו- DAPT. (איור מעובד מסונת אל, 201810). הודפס מחדש ושונה מהתא בהתאם לייחוס Creative Commons CC BY-NC-ND 4.0.). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| בעיה | פתרונות מוצעים |
| ה-PDMS לא מתחבר לזכוכית. | - ודא גם PDMS וזכוכית נקיים. |
| - ודא שיש מספיק PDMS סביב התא עבור מליטה. | |
| - לייעל את ההגדרות של תנור הפלזמה. | |
| יש בועות אוויר על השבב שלי. | תבדוק אם המשאבה הופעלה. |
| - דגה השבב לפני טעינת רקמה על השבב. | |
| דגה המדיום לפני תחילת הניסוי. | |
| תוודא שהלחות בתא הדגירה גבוהה מספיק. | |
| הרקמה מתה בתחילת הניסוי. | - הוסף HEPES למדיום בעת טעינה והרכבת השבב. |
| - אין לשטוף את הרקמה פנימה והחוצה לעתים קרובות מדי במהלך הטעינה. | |
| - ודא כי קצב הזרימה אינו גבוה מדי. | |
| הרקמה מתה במהלך ההדמיה. | - ודא שאין פוטוטוקסיה מההדמיה |
| תוודא שאין זיהום. | |
| - קצב הזרימה לא צריך להיות גבוה מדי. | |
| המוקד משתנה במהלך ההדמיה. | - השתמש במיקוד אוטומטי במהלך ההדמיה כדי להתאים את הסחף של שקופית ההדמיה. |
| - תן לשבב להתכווץ לטמפרטורה בתוך המיקרוסקופ למשך 30 דקות לפחות. | |
| שקעים / מפרצונים מתנתקים. | - לדחוף את כל הצינורות לחלוטין למטה לתחתית. |
| השבב נשברת. | תיזהר יותר, הזכוכית מאוד שברירית. |
| הזכוכית הדקה נדרשת רק להדמיה. אם הדמיה אינה מבוצעת, ניתן להשתמש במגלשת זכוכית עבה רגילה. | |
| - אם ההפסקה היא מחוץ לשבב, זה לא יכול להיות בעיה. אם חותם הזכוכית לשבב שבור, הנוזל ידלוף החוצה והאוויר ייכנס. | |
| יש זיהום על השבב שלי. | תוסיף אנטיביוטיקה למדיום התרבותי. |
| - לחטא את כל הציוד וצינורות. | |
| תעבדו מהר ונקי. |
טבלה 1: פתרון בעיות
קובץ משלים 1: קובץ STL להדפסת תבנית עם מדפסת תלת-ממד. תבנית זו משמשת ליצירת שבב מיקרופלואידי לתרבות על השבב של הרקמה העוברית האחורית (עיצוב המוצג באיור 1). נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 2: קובץ STL להדפסת תבנית עם מדפסת תלת-ממד ליצירת שבב מיקרופלואידי לתרבות על השבב של הרקמה העוברית האחורית. בניגוד לקובץ המשלים 1 ולעיצוב המוצג באיור 1, עיצוב זה מכיל מלכודות בועות בכל הכניסות כדי למנוע מכמויות קטנות של אוויר להיכנס לתא המיקרופלואידי הראשי. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 3: עצב קובץ עבור יצירת מחזיק כדי למקם את השבב במיקרוסקופ. למחזיק זה יש את הממדים של צלחת 96 בארות והוא צריך להתאים למחזיקים סטנדרטיים של רוב המיקרוסקופים. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
כיצד דינמיקת האיתות שולטת במערכות רב-תאיות הייתה שאלה ארוכת שנים בתחום. חקירה פונקציונלית מהווה אתגר מרכזי, כי הדינמיקה הזאת צריכה להיות מאופננת בעדינות כדי לאפשר את זה11. שליטה זמנית כזו על הפרעות מסלול ניתן להשיג באופן עקרוני עם אופטוגנטיקה, אשר מאפשר גם שליטה מרחבית גבוהה34. עם זאת, אופטוגנטיקה דורשת הקמת כלים גנטיים מתוחכמים לניתוח כל מסלול איתות המדובר. הפרוטוקול הנוכחי המתואר כאן מספק כלי רב תכליתי מאוד עבור ההפרעה של כל מסלול איתות. ניסוי המיקרופלואידיקה מאפשר יישום של פולסים תרופתיים מבוקרים זמנית כדי לחקור באופן פונקציונלי את הדינמיקה של מסלולי איתות בתרביות רקמות. כאן, ההתמקדות היא בחקר סומיטוגנזה בתרבויות ex vivo , אך ניתן להתאים את הפרוטוקול כך שיתאים לכל מערכות מודל אחרות.
שלבים מסוימים בפרוטוקול הם קריטיים לביצוע ניסוי מוצלח במיקרופלואידיקה (המסוכם בטבלה 1). נקודות מפתח נדונות כדלקמן. בשל זרימה בינונית במהלך הניסוי, תרבית הרקמה חווה מתח גזירה. חשיפה של מערכת המודל לזרימה רציפה יכולה לגרום ללחץ תאי ובמקרים קיצוניים למוות של תאים עקב אפקט הגזירה. עבור תרביות רקמת ex vivo של tailbuds העכבר ואת עיצוב השבב הנוכחי, קצב זרימה של 60 μL / h (מקסימום של 100 μL / h) נמצא לעבוד היטב עם אפקט גזירה מינימלי. כאשר משאבות מרובות מופעלות בו זמנית עבור אותו שבב, קצב הזרימה של משאבות בודדות צריך להיות מותאם בהתאם כדי לא לגרום לעלייה בקצב הזרימה הכולל. כאשר הפרוטוקול הנוכחי מותאם למערכות מודל אחרות ולעיצובי שבבים, יש למטב את קצב הזרימה. לחלופין, ניתן לא לשטוף בינוני ברציפות, אבל מעת לעת לשנות מדיום על השבב35. התקנה כזו יכולה להיות מיושמת גם על תנודות איתות בקרה בסומיטוגנזה של העכבר (לא פורסם, נתונים לא מוצגים). יתר על כן, ניתן גם לדמיין התקנה, שבה תרביות רקמות אינן חשופות לזרימת נוזלים ישירה, אך תרופות מגיעות לרקמה על ידי דיפוזיה מערוץ סמוך. מערכות כאלה שימשו בהצלחה כדי להחיל שיפועים של גורמי גדילה על מודלים במבחנה של בידול ESC14,36.
נושא מרכזי אחד של ניסויים מיקרופלואידיים הוא התרחשות של בועות אוויר על שבב במהלך הניסוי. בועות אוויר בתוך השבב או הצינורות עלולות להפריע לזרימה נוזלית אחידה על השבב ויכולות להוביל להסרת תרבות העובר ממיקומה. כדי למנוע נוכחות של בועות אוויר, צעדים שונים של הפרוטוקול הם הכרחיים. ראשית, מדיום תרבות בתוך מזרקים ואת השבב microfluidic עצמו חייב להיות degassed באמצעות ייבוש (שלב 3.1.3). שנית, בעת טעינת דגימות לתוך מפרצוני הטעינה, יש להיזהר שלא להזרים אוויר לתוך השבב יחד עם המדגם (שלב 3.2.3). שלישית, בעת מילוי הצינורות עם בינוני, כל בועות האוויר חייב להיות נשאב החוצה לפני הצמדת השבב (שלב 3.3.2). אחרת, בועות אלה יידחפו לתוך השבב הראשי במהלך הניסוי. לבסוף, במהלך הניסוי, המדיום הוא שיווי משקל בתוך תא ההדמיה או החממה בשל צינורות חדיר למחצה. חדירות הצינור מאפשרת גם אידוי של המדיום, לכן ודא כי הלחות מווסתת במהלך הניסוי כדי למנוע היווצרות של בועות חדשות בצינורות.
באופן כללי, microfluidics הוא כלי רב תכליתי מאוד שניתן להתאים לשאלה הספציפית של החוקר. הגישה העיצובית הנוכחית מאפשרת הדמיה של עד 12 תרביות ex vivo במקביל לשבב. מספר זה מוגבל בעיקר על ידי מספר העוברים לכל ניסוי והזמן שלוקח לדמיין כל תרבות עובר ברזולוציה מספקת. אם יש צורך להשוות תנאים מרובים בניסוי יחיד, ניתן להרכיב שבבים מרובים על שקופית זכוכית אחת. עיצוב שבב מסופק, אשר אידיאלי עבור הדמיה של explants רקמות מרובות במקביל, אבל עיצובים מותאמים אישית יכולים להתגבר על מגבלות במספר המדגם כדי לאפשר ניתוח תפוקה גבוהה ולהגדיל את השילוב של תנאים נוספים בתוך ניסוי אחד16,17. Microfluidics מוגבלת לדגמים שניתן לתרבות על שבב ותרבות על שבב יהיה צורך אופטימיזציה עבור כל מערכת מודל בנפרד 27,37,38.
במהלך 5-10 השנים האחרונות, microfluidics יושם כדי לטפל בשאלות ביולוגיות שונות בשל הפוטנציאל שלה גישות תפוקה גבוהה אפנון עדין של דינמיקת איתות ושיפועים. כיום, מיקרופלואידיקה הפכה לכלי ישים, זול ורב-תכליתי בקלות שמעבדות יכולות להקים בקלות. כאן, הפרוטוקול הנוכחי ממוטב עבור יישום מסוים, כלומר, לימוד דינמיקת איתות השולטת בסמיטוגנזה. זה פשוט להתאים את הפרוטוקול הזה ואת העיצוב כדי להתאים את שאלות מחקר בודדים בביולוגיה רקמות.
למחברים אין מה לחשוף.
אנו מודים ליאנג לי וג'וס מלדה מאוטרכט UMC על העזרה בהדפסת תבניות בתלת-ממד, קארן ואן דן אנקר מקבוצת זונן על משוב שימושי מאוד על הפרוטוקול, וטג'רד פאזה מהסדנה המכנית במכון הוברכט למחזיק שבבים מיקרופלואידיים בתוך המיקרוסקופ. ברצוננו להודות לכל קבוצת Sonnen על הקריאה הביקורתית של כתב היד והסוקרים על המשוב הבונה שלהם. עבודה זו קיבלה מימון ממועצת המחקר האירופית במסגרת הסכם מענק התחלתי של ERC מס ' 850554 ל- K.F.S.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| מזרק 10 מ"ל | בקטון, דיקינסון והחברה | 300912 | |
| 184 חומר ריפוי סיליקון אלסטומר | SYLGARD | 1673921 | |
| 184 סיליקון אלסטומר PDMS | SYLGARD | 1673921 | |
| מזרקים 3 מ"ל | בקטון, דיקינסון והחברה | 309657 | |
| סרט | סקוטש מג'יק טייפ או דומה | ||
| מלקחיים עם קצה קהה Bochem 18/10 נירוסטה | Fisher Scientific | 10663341 | |
| בקר סרום אלבומין Lyophilized pH~7 | Biowest | P6154 | |
| מערכת | |||
| צלחת התגבשות | VWR | 10754-7 | מעוקר |
| D-(+)-גלוקוז 45% | Sigma | G8769 | |
| מייבש | VWR | 467-0104 | |
| כוסות חד פעמיות | Duni | 173 941 | |
| מזלגות חד פעמיים | סיכות | 511514 | |
| ציוד | |||
| DMEM/F12 | טכנולוגיות תרבית תאים | מותאמות אישית | DMEM/F-12, ללא פנול אדום, ללא L-גלוטמין, ללא גלוקוז |
| פיברונקטין | סיגמא | F1141-5MG | |
| מכסה מנוע זרימה BioVanguard Greenline | CleanAir על ידי Baker | 511514 | עבור מקור אור UV |
| זכוכית שקופית מס 1.5H דיוק גבוה, 70x70 מ"מ | Marienfeld | 107999098 | |
| HEPES Buffer | Gibco | 15630-056 | |
| L-גלוטמין | Gibco | 25030024 | |
| מיקרוסקופ | Leica | Leica SP8 MP | |
| מחטים 22G | Becton, dickinson ו company | z412139-100EA | |
| תנור | VWR | 390-09 | |
| PBS0 | |||
| פניצילין-סטרפטומיצין | Gibco | 15070063 | |
| תנור פלזמה Femto | Diener אלקטרוני | ||
| אגרוף ואוסלאש; 1 מ"מ | חד ליבת | WB100073 | |
| סולם | Sartorius | Entris | |
| משאבת מזרק | WPI | AL-4000 | |
| צינורות ואוסלאש; 1 מ"מ | APT | AWG24T | |
| משאבת ואקום | VWR | 181-0308 |
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה