פרוטוקול זה משתמש במודלים חישוביים כדי לכמת ספי אלקטרופורציה הפיכים ובלתי הפיכים באמצעות התפלגות מרחבית של תאים שעברו טרנספטציה בתוך חיקוי רקמה תלת מימדי לניתוח תפוקה גבוהה של פרוטוקולי אלקטרופורציה.
Method Article
פרוטוקול זה משתמש במודלים חישוביים כדי לכמת ספי אלקטרופורציה הפיכים ובלתי הפיכים באמצעות התפלגות מרחבית של תאים שעברו טרנספטציה בתוך חיקוי רקמה תלת מימדי לניתוח תפוקה גבוהה של פרוטוקולי אלקטרופורציה.
אלקטרופורציה היא טכנולוגיה מבטיחה המשתמשת בפולסים חשמליים להעברת מקרומולקולות ואבלציה של רקמות רכות, עם יישומים הכוללים טיפול מונע מהדור הבא וטיפול במחלות גנטיות כגון סרטן. מחקר זה מדגים מודל תרבית רקמה תלת מימדית בעל יכולת תפוקה גבוהה לכימות סף האלקטרופורציה ההפיך והבלתי הפיך עבור פרוטוקול אלקטרופורציה נתון. על ידי שימוש בשדה חשמלי לא אחיד וניתוח ההתפלגות המרחבית של תאים שעברו טרנספטציה, ניתן לזהות ספים הפיכים ובלתי הפיכים בתוך דגימה בודדת, מה שמגדיל את היעילות שבה ניתן לאפיין פרוטוקולי אלקטרופורציה, במיוחד עבור תרגום in vivo . כדי להראות יכולת זו, חיקויי רקמות תלת מימדיים המכילים תאי HEK293 הועברו באמצעות אלקטרודת טבעת וסיכה כדי לספק פלסמיד מקודד GFP. לאחר מכן נגזרו ספי אלקטרופורציה על סמך תמונות מיקרוסקופיה פלואורסצנטית של הדגימות שהועברו מחדש. מודל זה מדגים פוטנציאל לשימוש כאמצעי להערכה בתפוקה גבוהה של פרוטוקולי אלקטרופורציה, יתרון מרכזי על פני השיטות הנוכחיות להערכת ספים אלה, הנוטים להיות עתירי זמן ופחות מייצגים תנאי in vivo .
אלקטרופורציה הפיכה (RE) היא מתודולוגיה מבוססת היטב להעברת מגוון תרכובות ומולקולות אטומות בדרך כלל לממברנה לתאים 1,2,3. כאן, שדות חשמליים פועמים (PEFs) משמשים להשגת עוצמת שדה חשמלי קריטית הגורמת לננו-נקבוביות חולפות ומקומיות לאורך חלקים של קרום התא. RE שימש להעברת מגוון מולקולות ותרכובות החל מצבעים וחומצות גרעין ועד כימותרפיה ותרופות אחרות 4,5,6,7,8,9,10. עם זאת, אם עוצמת השדה החשמלי מוגברת מספיק, היא יכולה לעמוד בסף קריטי גבוה יותר, מה שמביא לירידה מהירה בכדאיות התא 1,2,11,12. תהליך זה ידוע בשם אלקטרופורציה בלתי הפיכה (IRE) ונחקר עבור אבלציה של רקמות רכות, כולל כטיפול בגידולים שאינם ניתנים לניתוח והפרעות קצב לב 11,12,13,14,15,16. כדי להבין את תוצאות הטיפול וליידע על טיפולים עתידיים, כימות של ספי RE ו-IRE אלה הוא פרקטיקה נפוצה במחקר אלקטרופורציה 12,17,18,19,20. עם זאת, ספי RE ו-IRE משתנים בהתאם לגורמים רבים, כולל סוג התא, מתח מופעל, משך הדופק, מספר הפולסים וקצב אספקת הדופק 1,17,18,21,22.
לפרוטוקולי אלקטרופורציה יש מספר פרמטרים המביאים לספי RE ו-IRE מגוונים 1,17,18,21,22. מתחי טיפול וצורות גל אופטימליים נחקרו זה מכבר. רוב טכנולוגיות האלקטרופורציה הזמינות מסחרית משתמשות בפרוטוקולים עם PEFs חד-קוטביים בסדר גודל של 100 μs-10 ms23. בעוד שהפרוטוקולים הללו משיגים תוצאות רלוונטיות מבחינה קלינית, הם גורמים להתכווצויות שרירים אינטנסיביות in vivo 24,25,26. בשל כך, פולסים קצרים יותר של מיקרו-שניות דו קוטביים, המקלים על גירוי זה, הפכו לנושא עניין לאחרונה 1,11,24. עם זאת, פולסים אלה מציגים גורמים חדשים המשפיעים על ספי RE ו-IRE, כולל סימטריית דופק, משך פרץ ותלות בטמפרטורה 1,17,22,27. בנוסף, סוג התא ותכונות הרקמה הוכחו גם כמשפיעים באופן משמעותי על תוצאות RE ו-IRE 19,28,29. ככל שהתחום ממשיך להתפתח, יש צורך לאפיין עוד יותר כיצד גורמים אלה והאינטראקציות שלהם זה עם זה וגורמים סביבתיים אפשריים אחרים משפיעים על ספי RE ו-IRE, מה שהופך את זה להכרחי יותר ויותר לשפר את יעילות הניסוי כדי לאפשר ניסויים בתפוקה גבוהה יותר.
ניסויי אלקטרופורציה אופייניים במבחנה בודקים פרוטוקולים על ידי טיפול בתאים בקובט עם לוחות מוליכים מקבילים, מה שמביא לפיזור שדה חשמלי אחיד בתוך הקובט במהלך הטיפול 19,30,31,32,33,34. כאמור, יש צורך לזהות את ספי ה-RE ו/או ה-IRE של פרוטוקול כדי לזהות מתח מופעל אופטימלי לטיפול נתון. כדי להשיג זאת במחקרי קובטה, יש לטפל במספר קובטות, כל אחת עם מתחים נפרדים. זה דורש מספר משמעותי של דגימות שיש להכין, לטפל ולנתח בנפרד, מה שמגביל את תפוקת הניסוי. כדי לשפר תהליך זה, פותחו גם מודלים של תרבית 2D35,36 וגם 3D 13,20,27,37,38,39 כדי להעריך רצף של עוצמות שדה בדגימה בודדת באמצעות אלקטרודות היוצרות התפלגויות שדה לא אחידות 13,20,27,37,38,39. ספי RE ו-IRE נגזרים לאחר מכן ממודלים חישוביים של התפלגות השדה החשמלי 13,20,27,37,38. זה מקטין מאוד את מספר הדגימות הדרושות, ומאפשר גישה בעלת תפוקה גבוהה יותר לכימות סף.
מאמר זה נועד להדגים גישה זו לכימות שדה RE ו-IRE במודל תלת מימדי במבחנה כדי להדגים את הפוטנציאל שלה כאמצעי להערכה יעילה של פרוטוקולי אלקטרופורציה במספר סביבות (למשל, סוגי תאים, פרמטרים לטיפול, מולקולות שיסופקו).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
הריאגנטים והציוד המשמשים במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.
1. הכנת תאים
יצירת מודל רקמות 2. 3D
הערה: השתמש בפיפטינג הפוך עבור שלבים אלה כדי למנוע הכנסת בועות אוויר לתערובת.
3. ייצור אלקטרודות
4. טיפול במודל רקמות תלת מימד עם אלקטרופורציה
5. כביסה והדמיה
6. יצירת מודלים חישוביים
7. גזירת סף
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
אלקטרודת הטבעת והסיכה העבירה בהצלחה פלסמיד DNA המקודד חלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP) לרקמת קולגן תלת מימדית המחקה תאי HEK293. כימות סף RE מוצלח הושג על ידי מדידת הרדיוס החיצוני של האזור הטרנספטנטי והפקת עוצמת השדה המתאימה מהמודל החישובי של מערך הניסוי, כפי שניתן לראות באיור 2. סף ה-IRE כומת באופן דומה על ידי מדידת הרדיוס הפנימי של האזור המשתנה. איור 3A-C מדגיש את ספי ה-RE וה-IRE המתקבלים (מתוארים ב...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
בשיטה זו ניתן לזהות ספי אלקטרופורציה הפיכים ובלתי הפיכים ללא צורך בבדיקת דגימות מרובות במתחים בדידים. השימוש בשדה חשמלי לא אחיד מאפשר כימות על סמך ההתפלגות המרחבית של תאים שעברו טרנספטציה במודל. עם זאת, ישנן מגבלות הקשורות להתפלגות לא אחידה זו. בראש ובראשונה, ספי ה-RE וה-IRE המתוארים כאן הם הספים לטרנספקציה מוצלחת ומוות תאי, בהתאמה, שעשויים שלא להיות מדידות ישירות של היקף האלקטרופורציה. לדוגמה, ייתכן שתאים מסוימים עשויים לעבור אלקטרופורציה, אך הנקבוביות אינן מספיקות לטרנספקציה, או שתאים ...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
למחברים אין גילוי נאות.
עבודה זו בוצעה באוניברסיטת צפון קרוליינה ומומנה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (R01CA272550).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 0.25% טריפסין-EDTA | ג'יבקו | 25200056 | |
| 1000 קצות פיפטה uL | פישר סיינטיפיק | 13-811-164 | |
| צינור חרוטי 15 מ"ל | פישר סיינטיפיק | 14-959-70ג | |
| 200 קצות פיפטה uL | פישר סיינטיפיק | 13-811-139 | |
| 304 מחטי קצה קהה מנירוסטה | מקמאסטר קאר | ברקוד 75165A753 | |
| 316 צינורות נירוסטה | מקמאסטר קאר | ברקוד 89785K319 | |
| אקריליק | מקמאסטר קאר | ברקוד 8505K754 | |
| ארון בטיחות ביולוגית | פישר סיינטיפיק | 13-261-312 | |
| תוכנת CAD | דאסו מערכות | סולידוורקס | |
| צנטריפוגה | נואיר | NU-C200R | |
| אלקטרופורטור | הביו | 45-0662 | במחקר זה נעשה שימוש במכשיר שנבנה בהתאמה אישית ומערכת BTX ECM 830 |
| EMEM | פישר סיינטיפיק | MT10009CV | זה עשוי להשתנות אם אתה משתמש בקו תאים שאינו HEK293 |
| Falcon 12-well צלחת תרבית תאים מולטי-באר מטופלת ב-TC, עם מכסה | קורנינג | 353043 | ניתן להשתמש בכל צלחת 12 בארות, רק ודא שמידות הבאר נלקחות בחשבון בעת ייצור מחזיק האלקטרודה. |
| FBS | פישר סיינטיפיק | A5670701 | |
| בדיקת טמפרטורת סיבים אופטיים | מיקרונור בע"מ | TS5-20 מ"מ-02 | |
| GFP-פלסמיד | אלדברון | gWiz-GFP | |
| תאי HEK293 | ATCC | CRL-1573 | ניתן להשתמש בקווי תאים אחרים, רק ודא שנעשה שימוש במדיום התרבית הנכון |
| פלטה חמה | תאגיד קירור תרמו-אלקטרי אמריקה | AHP-301CPV | |
| אמבט קרח או חרוזים בקירור | פישר סיינטיפיק | 10-876-001 | |
| תוכנה לניתוח תמונות | לייקה | לאס X | |
| אינקובטור | פישר סיינטיפיק | 15-015-2633 | |
| מיקרוסקופ פלואורסצנטי הפוך | לייקה | DMi8 | |
| חותך לייזר | מקמאסטר קאר | 7344N11 | |
| פניצילין-סטרפטומיצין | פישר סיינטיפיק | 15140122 | |
| ערכת פיפטה | פישר סיינטיפיק | 14-388-100 | |
| תוכנת סימולציה | COMSOL | קומסול מולטיפיזיקה 6.2 | |
| בקבוק T75 | פישר סיינטיפיק | 156499 | |
| תמיסת קולגן בקר מסוג I | ביומטריצה מתקדמת | 5005 | 3 מ"ג/מ"ל |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission