חישת נקבוביות Mechano-node: פלטפורמה מהירה ונטולת תוויות למדידות ויסקואלסיות של תאים בודדים מרובי פרמטרים
2 בדצמבר 2022
מוצגת כאן שיטה לפנוטיפ מכני של תאים בודדים באמצעות פלטפורמה מיקרופלואידית מבוססת אלקטרוניקה הנקראת חישת נקבוביות מכאנו-צומת (mechano-NPS). פלטפורמה זו שומרת על תפוקה מתונה של 1-10 תאים לשנייה תוך מדידת התכונות הביופיזיות האלסטיות והצמיגיות של התאים.
אנו מציגים פלטפורמה מיקרופלואידית מבוססת אלקטרוניקה לפנוטיפ מכני של תאים בודדים. באופן ספציפי, אנו מודדים תכונות אלסטיות וצמיגות של תא בודד בתפוקה של עד 10 תאים בשנייה. השיטה שלנו דורשת הכנת דגימה מינימלית, משתמשת במדידה אלקטרונית פשוטה, מחליפה חומרה אופטית יקרה וניתוח תמונה מורכב, ואינה הרסנית, כלומר הגישה שלנו תואמת לניתוחים במורד הזרם.
Mechano-NPS יושם על סוגי תאים רבים, כולל דגימות ראשוניות, ומדד את ההשפעה של רכיבים תת-תאיים על צמיגות של תא בודד. הוא יכול לשמש להבנת התנהגות התאים, לקביעת התקדמות המחלה או לניטור התגובה לתרופות. כדי להתחיל, הסר את הרכיבים המטופלים בפלזמה מתא הפלזמה.
תמיסת שניים עד אחד של מתנול ומים שעברו דה-יוניזציה על מצע הזכוכית עם אלקטרודות מפוברקות מראש. לאחר מכן הניחו את תבנית PDMS כשצד התכונה כלפי מטה על גבי מצע הזכוכית. הנח את ההתקן מתחת לסטריאוסקופ כדי לכוונן את היישור.
אפו את המכשיר המיושר כדי להשלים את ייצור המכשיר. הכן את מקור הלחץ, ה- PCB, חומרת הספסל ותוכנת איסוף הנתונים. לאחר מכן, יישר את פיני ראש המהדקים עם החורים ב- PCB ויישר את פיני קפיץ המהדקים הטעונים עם רפידות המגע של האלקטרודה במכשיר המיקרופלואידי.
לאחר מכן הכנס את פיני ראש המהדקים לתוך חורי ה- PCB, וודא שהפינים הטעונים בקפיץ נשארים מיושרים עם רפידות המגע של האלקטרודה. הגדר וחבר את החומרה האלקטרונית. לאחר מכן, הגדר את הערכים כדי לאתחל את הפעלת רכישת הנתונים ולהגדיר את קצב הדגימה לרכישה.
תרבית והכינה את התאים על פי פרוטוקול תרבית התא המתאים של קו הבחירה. לאחר מכן להשעות את התאים בתמיסה מוכנה של 2% FBS ו 1X PBS בריכוז בין 100, 000 ל 500, 000 תאים למיליליטר. שמור את התאים על הקרח למשך הניסויים.
כדי לטעון תאים לתוך המכשיר microfluidic, לחתוך 30 ס"מ של צינורות polytetrafluoroethylene עם סכין גילוח. השתמש במזרק כדי לשחרר את דגימת התא לקצה הצינורות ולחבר את אותו קצה לכניסת המכשיר. לבסוף, חבר את הקצה הנגדי של הצינורות לבקר הלחץ המיקרופלואידי.
כדי להפעיל את הניסוי, הגדר את לחץ הנהיגה המתמיד הרצוי על תוכנת בקר הלחץ ואפשר לדגימה למלא את המכשיר. אם נוצרות בועות בערוצים המיקרופלואידיים, השתמשו במילוי ללא מוצא. חבר את שקע ההתקן והפעל לחץ נמוך על הכניסה כדי להוציא אוויר דרך PDMS חדיר לגז.
לאחר מכן הגדר את המתח הרצוי על ידי סיבוב ידית המתח בספק הכוח והפעל את המתח על ידי לחיצה על לחצן ההפעלה. הפעל את קדם הזרם והגדר את הרגישות נמוכה ככל האפשר. לחלופין, הגדר את הרווח גבוה ככל האפשר מבלי להעמיס יתר על המידה על הקדם-מגבר או לחרוג ממתח הכניסה האנלוגי המרבי של ה- DAQ.
לחץ על לחצן ההפעלה הירוק בתפריט רצועת הכלים MATLAB כדי להתחיל את קובץ ה- Script לרכישת נתונים NPS. m, ולהתחיל לדגום ולשמור את הנתונים. כדי לסיים את הניסוי, לחץ על לחצן עצור בפינה השמאלית התחתונה של חלון העלילה החיה כדי לסיים את סקריפט רכישת הנתונים.
לאחר מכן השבת את פלט ספק הכוח על ידי לחיצה על הלחצן On. לבסוף, הגדר את מקור הלחץ ללחץ אפס בתוכנת בקר הלחץ. לצורך ניתוח נתונים, האות הגולמי צריך להיות בעל יחס אות לרעש מספיק כדי לסנן את הרעש ולחלץ את הרכיבים המשמעותיים.
באופן קריטי, עליית האות הנוכחית מכל צומת צריכה להיות חזקה מספיק כך שניתן יהיה לזהות בקלות תת-פולסים מאות ההפרש. לתאי MCF-7 ממאירים יש התפלגות wCDI גדולה יותר מאשר לתאי MCF-10A שאינם ממאירים, מה שמעיד על כך שתאי MCF-7 הממאירים רכים יותר ממקביליהם הלא-ממאירים MCF-10A. תאי MCF-10A ו-MCF-7 שטופלו בלטרונקולין מראים עלייה ב-wCDI.
התפלגות wCDI מובהקת המבדילה בין שני סוגי התאים העיקריים מצביעה על כך שתאי LEP רכים יותר מתאי MEP. ל-MCF-10As שאינם ממאירים ול-MCF-10A ו-MCF-7 שלא טופלו יש שיעור גדול יותר של תאים שמתאוששים באופן מיידי, מה שמעיד על צמיגות נמוכה יותר ממקביליהם הממאירים או הלטרונקולינים. אם קריאת הזרם החי נראית חריגה, הפסיקו את הניסוי ובדקו את הערוץ המיקרופלואידי.
ודא שאין בועות אוויר ואין סתימות כך שהתאים זורמים בחופשיות מהכניסה לשקע. מאחר שהשיטה שלנו אינה פוגעת בתאים, ניתן לבצע ניתוחים במורד הזרם כמו RNA-seq או אימונופלואורסצנציה. זה יכול לעזור לחשוף כמה סיבות בסיסיות לכך שלתאים יש פנוטיפים מכניים שונים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג שיטה לפנוטיפ תאים בודדים באופן מכני באמצעות פלטפורמת מיקרו-נוזלים מבוססת אלקטרוניקה הידועה כחישת מכאנו-נוד-פור (מכאנו-NPS). הפלטפורמה מאפשרת מדידה של תכונות אלסטיות וצמיגות של תאים במהירות של עד 10 תאים בשנייה, ומסייעת להכנה מינימלית של דגימות וניתוח ללא הרס.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- ביולוגיה של תאים
- מיקרו-נוזלים
רקע
- מכאנו-NPS היא פלטפורמה חדשנית לחקר מכניקת תאים בודדים.
- השיטה מאפשרת ניתוח של סוגי תאים שונים, כולל דגימות ראשוניות.
- היא מספקת תובנות לגבי התכונות הויסקואלסטיות של תאים.
- הגישה תואמת לניתוחים נוספים, ומגדילה את התועלת שלה במחקר.
מטרת המחקר
- לפתח שיטה לפנוטיפ מכני של תאים בודדים.
- למדוד את התכונות האלסטיות והצמיגות של תאים ביעילות.
- להקל על הבנת התנהגות התאים והתקדמות המחלה.
שיטות בשימוש
- פלטפורמת מיקרו-נוזלים מבוססת אלקטרוניקה לניתוח תאים.
- מדידת ויסקואלסטיות של תא בודד.
- דרישה להכנה מינימלית של דגימות.
- מדידה ללא הרס התואמת לניתוחים נוספים.
תוצאות עיקריות
- מדידה מוצלחת של תכונות אלסטיות וצמיגות של סוגי תאים שונים.
- יישום מוצהר של מכאנו-NPS בחקר רכיבים תת-תאיים.
- פוטנציאל למעקב אחר תגובות לתרופות והבנת מנגנוני מחלות.
מסקנות
- מכאנו-NPS היא כלי חשוב לפנוטיפ מכני של תאים.
- הפלטפורמה מציעה חלופה חסכונית לשיטות מסורתיות.
- היא פותחת דרכים חדשות למחקר במכניקת תאים וביופיזיקה.
שאלות נפוצות
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.
