マイクロパターン配列を用いた単一細胞からの蛍光レポータータイムコースの取得方法を紹介する。このプロトコルは、単一細胞アレイの調製、ライブセルスキャンタイムラプス顕微鏡のセットアップと動作、および接着部位あたりの細胞統合蛍光時間コースの自動事前選択、視覚制御および追跡のためのオープンソース画像分析ツールを記述する。
方法論記事
マイクロパターン配列を用いた単一細胞からの蛍光レポータータイムコースの取得方法を紹介する。このプロトコルは、単一細胞アレイの調製、ライブセルスキャンタイムラプス顕微鏡のセットアップと動作、および接着部位あたりの細胞統合蛍光時間コースの自動事前選択、視覚制御および追跡のためのオープンソース画像分析ツールを記述する。
単一細胞アレイ(LISCA)のライブセルイメージングは、高スループットで個々の細胞からの蛍光信号の時間コースを収集するための汎用性の高い方法です。一般に、培養細胞からの単細胞時間コースの獲得は、細胞の運動性および細胞形状の多様性によって妨げられる。接着剤マイクロアレイは、単一細胞条件を標準化し、画像解析を容易にします。LISCAは、単一細胞マイクロアレイと、走査時間経過顕微鏡と自動画像処理を組み合わせたものです。ここでは、単細胞蛍光時間コースをLISCA形式で取る実験ステップについて説明する。また、強化された緑色蛍光タンパク質(eGFP)用のmRNAコードを用いて微小パターン配列に付着した細胞をトランスフェクトし、走査時間経過顕微鏡を介して数百個の細胞のeGFP発現動態を並行して監視します。画像データスタックは、選択した細胞の輪郭に蛍光強度を統合して単一細胞蛍光時間コースを生成する新開発のソフトウェアによって自動的に処理されます。mRNAトランスフェクション後のeGFP発現時間コースは、mRNAの発現および分解率を明らかにする単純な運動翻訳モデルによって十分に記述されていることを実証する。アポトーシスのシグナル伝達の文脈における複数マーカーのイベント時間相関に対するLISCAのさらなる応用が議論される。
近年、単細胞実験の重要性が明らかになってきた。単一細胞からのデータは、細胞間変動、細胞内パラメータ相関の分解能、およびアンサンブル測定1、2、3に隠されたままの細胞動態の検出の調査を可能にする。数千個の単一細胞の細胞動態を並行して調べるには、数時間から数日間の期間にわたって標準化された条件下で細胞を監視し、定量的なデータ分析4を行う新しいアプローチが必要である。ここでは、マイクロ構造化アレイとタイムラプス顕微鏡と自動画像解析を組み合わせた単一細胞アレイ(LISCA)のライブセルイメージングを紹介します。
マイクロ構造化単一細胞アレイを生成するためのいくつかの方法が確立され、文献5,6に掲載されています。ここでは、マイクロスケールのプラズマ開始タンパク質パターニング(μPIPP)について簡単に説明します。μPIPPを用いた単一セルアレイ製作の詳細なプロトコルは、リファレンス7にも記載されています。単一細胞配列を用いると、各細胞に対して定義された微小環境を提示する標準化された接着スポットに数千個の細胞を整列させ、実験変動の原因を減少させる(図 1A)。単一細胞アレイは、さまざまな細胞プロセスを示すために目的とする蛍光マーカーの時間コースを監視するために使用されます。スキャンタイムラプスモードにおける長期顕微鏡検査により、単一細胞アレイの広い領域を監視し、数時間または数日の観察時間にわたってハイスループットで単一細胞データをサンプリングすることができます。これにより、配列の各位置から画像の時系列スタックが生成されます(図1B)。大量の画像データを削減し、望ましい単一細胞蛍光時間コースを効率的に抽出するためには、細胞の位置決めを利用した自動画像処理が必要である(図1C)。
LISCAの課題は、実験プロトコルと計算ツールを適応させて、細胞動態の定量的で再現可能なデータを生成するハイスループットアッセイを形成することです。本稿では、個々の方法と、それらをLISCAアッセイでどのように組み合わせるかについて、ステップバイステップで説明します。一例として、人工mRNA送達後の強化された緑色蛍光タンパク質(eGFP)発現の経時経過について考察する。mRNA送達後のeGFP発現は、mRNAの翻訳および分解をモデル化した反応速度式によって説明される。eGFP濃度の時間経過に対するモデル関数を、時間の経過とともに個々の細胞ごとに蛍光強度のLISCA読み出しに適合させることで、mRNA分解率などのモデルパラメータの最良の推定値が得られます。代表的な結果として、2種類の異なる脂質系トランスフェクション剤のmRNA送達効率と、そのパラメータ分布の違いについて考察する。

図1:(A)マイクロパターン単細胞アレイ(B)走査時間経過顕微鏡と(C)記録画像系列の自動画像解析を組み合わせたLISCAワークフローの表現単細胞アレイは、マイクロパターン上の細胞の配置につながる細胞忌避的な空間を有する細胞接着性の二次元パターンからなるが、相コントラスト画像ならびにeGFP発現細胞の蛍光像(A)に見られるように。マイクロ構造領域全体が、一連の位置(B)で繰り返し画像を撮影するスキャンタイムラプスモードで画像化されます。記録された画像シリーズは、時間の経過に関する細胞あたりの蛍光強度を読み出すために処理される(C)。スケールバー:500 μm(A)、200μm(C)この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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図2:単細胞マイクロアレイ(A)と走査タイムラプス顕微鏡(B)を組み合わせたデータ取得タイムラプス実験の準備として、2Dマイクロパターンの接着四角形を持つ単一細胞配列を用意し(1)、続いて細胞播種とマイクロパターン上の細胞の位置合わせ(2)、および6チャンネルスライドへの灌流システムの接続を行い、タイムラプス測定中の液体処理を可能にする(3)。走査タイムラプス実験(4)を設定し、細胞は、タイムラプス実験(5)の間に灌流系を介してmRNAリポプレックス溶液を注入することによって顕微鏡にトランスフェクトされる。スケールバー:200 μm.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
1. マイクロストラクチャード単一セルアレイ製造 (図2A)

図3μPIPPによる単一細胞マイクロアレイの製造(1)表面に三次元マイクロパターン構造を有するPDMSスタンプは、6チャンネルスライドのカバースリップ上に配置されている。(2)PDMSスタンプを貼ったカバースリップを酸素プラズマで処理し、表面を親水性にする。(3) PLL-PEGが追加されます。毛細管力によって微細構造に吸収され、PDMSスタンプセル忌避剤で覆われない表面を作ります。(4) カバースリップは、残りのPLL-PEGを除去するために水ですすがされる。その後、PDMSスタンプが取り外され、6チャンネルのスティッキースライドがカバースリップに貼り付けられます。(5)フィブロネクチンは、細胞外マトリックスのタンパク質であり、PLL-PEG細胞接着剤を含まない領域を作るために添加される。(6)6チャンネルスライドをリン酸緩衝生理食塩水で洗浄する。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
2. 細胞の播種 (図 2A)
注:次の洗浄手順では、1つのリザーバにそれぞれの液体を追加し、チャネルの反対側の貯水池から液体の等しい量を取り除きます。

図4μPIPPアレイの細胞自己組織化と品質管理( A)マイクロ構造表面は、セル忌避ポリマーに囲まれた赤で示された二乗FN被覆接着スポットから構成されています。(B)細胞播種後、HuH7細胞はランダムに分布し、(C)は4時間の期間にわたって主に接着点に付着する。許可付きで再印刷7.スケールバー:200 μm.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
3. 灌流システム (図2A)
注:灌流システムの使用は、試薬または蛍光マーカーをタイムラプス測定の過程で追加する必要がある場合にのみ必要です。ニーズに応じて、各チャンネルを別々の灌流システムに接続したり、直列の複数のチャンネルを同じ灌流システムに接続したりできます。灌流システムの数は、独立した実験条件の数に対応しています。バイオセーフティキャビネットで無菌状態でチューブを接続し、灌流システムに気泡が含まれるのを避けてください。灌流システムを使用しない場合は、タイムラプス測定の前にバイオセーフティキャビネットに試薬/マーカーを追加します。灌流システムは社内で製造され、使用材料は材料表に記載されています。灌流システムの組立については、前述9.
4. タイムラプス顕微鏡 (図 2B)
注:長期測定では、安定温度37°C、安定したCO2レベルを維持してください。CO2依存性細胞増殖培地の代替として、ガスインキュベーションシステムが不要なL15培地を使用する。
注:定量的イメージングの場合、タイムラプス測定中にフェノールレッドのない細胞増殖培地を使用してバックグラウンド蛍光を低減し、タイムラプスプロトコルと同じ設定を技術的な複製に使用します。
5. 蛍光マーカー - mRNA トランスフェクション (図 2B)
注:チューブシステムで接続された2つのチャンネルのトランスフェクションでは、合計600 μLトランスフェクションミックス(1チャンネルに対して300 μL)が必要です。示されたボリュームは、2つの接続されたチャネルでのトランスフェクションを指します。
6. 画像解析と蛍光読み出し

図5:PyAMAを用いたタイムラプス画像シリーズの自動画像処理(1)各撮像位置の位相コントラストおよび蛍光画像系列がインポートされる。(2) セルの輪郭は、位相コントラスト画像スタック上のセグメンテーションによって決定されます。(3)蛍光画像に背景補正を適用する。(4) セルの輪郭は時間の経過とともに追跡され、エクスポートのために事前に選択されます。(5)蛍光強度は、追跡された細胞の輪郭に基づいて統合される。(6)単細胞領域と統合蛍光強度を評価し、各細胞の時間コースをエクスポートする。スケールバー:100 μm.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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LISCAアプローチは、単一細胞から効率的に蛍光時間コースを収集することができます。代表的な例として、トランスフェクション後の単細胞eGFP発現を測定するためにLISCA法がどのように適用されるかの概要を示す。LISCA実験のデータは、効率的なmRNA薬の開発に重要であるmRNA送達キネティックスを評価するために使用されます。
特に、翻訳の時点の発症と発現速度に関する2つの脂質ベースのmRNA送達系の影響を単細胞レベルで示す。細胞を培養し、そのバッチを2つの集団に分けた。プロトコルセクションに記載されているように、1つの亜集団がリポプレックスでトランスフェクトされた。他の亜集団は、同じ最終mRNA濃度を有する同じmRNAを用いてトランスフェクトしたが、送達系として脂質ナノ粒子(LNP)を用いて、マイクロ流体混合12を用いて製造した。異なる脂質組成とリポプレックスとLnPsのmRNA送達系の異なる製造のために、我々は取り込み動力学が影響を受けるべきであるように翻訳キネティクスに影響を与えることを期待する。LISCA法を用いて、トランスフ...
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ここでは、単細胞レベルで細胞内蛍光標識の細胞動態に従う多目的技術としてLISCAを説明した。LISCA実験を成功させるためには、プロトコルセクションの各ステップを個別に確立し、すべてのステップを組み合わせる必要があります。LISCAの3つの主要な側面のそれぞれは、重要なステップを備えています。
単一細胞マイクロアレイ製造
マイクロアレイの細胞の位置合わせは、さらなる実験ステップだけでなく、データ品質にも影響を与えるため、マイクロアレイの品質は非常に重要です。このため、パターンの幾何学および製造方法は、使用される細胞に対して適合されなければならない。本稿で説明した代表的な結果は、肝臓癌細胞株HuH7が(30μm)2の正方形のパターンに整列して生成された。このパターンジオメトリは、A549 や HEK293 などの他のセルラインにも適しています。BEAS-2B のような大きなセルでは、35 μm のエッジ長と 80 μm の 2 乗距離を持つ大きな正方形パターンを使用できます。記載された播種手順はHuH7細胞に対して最適化されるが、他の多く...
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著者らは、競合する財政的利益はないと宣言している。
この研究は、ドイツ科学財団(DFG)から共同研究センター(SFB)1032への助成金によって支援されました。ドイツ連邦教育研究技術省(BMBF)による協力プロジェクト05K2018-2017-06716メディソフトの支援とバイエリッシェ・フォルシュングスシュティフトゥンからの助成金は感謝しています。アニタ・ライナーは、ミュンヘン(QBM)の定量バイオサイエンス大学院を通じてDFGフェローシップによって支援されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アドテックポリマーエンジニアリングPTFEマイクロチューブ | フィッシャーサイエンティフィック | 10178071 | |
| ベーキングオーブン | バイン | ダー9010-0190 | |
| CFIプランフローDL 10x | ニコン | MRH20100 | |
| デシケーター | ロス | NX07.1 | |
| クリプスTi-E | ニコン | ||
| eGFP mRNA | トライリンク | L-7601 | |
| メスルアーチューブコネクタ | MEDNET | FTL210-6005 | |
| ウシ胎児血清 | サーモフィッシャー | 10270106 | |
| フィブロネクチン | Yo タンパク質 | 663 | |
| フィルターセット eGFP | AHF | F46-002 | |
| フィッシャーブランド 半透明のプラチナ硬化シリコーンチューブ | フィッシャーサイエンティフィック | 11768088 | |
| HEPES (1 m) | サーモフィッシャー | 15630080 | |
| インキュベーションボックス | Okolab | OKO-H201 | |
| インキュベーター | バインダー | 9040-0012 | |
| L-15 フェノールレッドなし | サーモフィッシャー | 21083027 | |
| リポフェクタミン 2000 | サーモフィッシャー | ||
| テフロン製 | |||
| チューブ コネクタ | MEDNET | MTLS210-6005 | 代替品 社内製造オス ルアー |
| NaCl (5 M) | サーモ フィッシャー | AM9760G | |
| ニードルレス バルブ - オス ルアー コネクタ | MEDNET | NVFMLLPC | |
| NIS エレメント | ニコン | イメージングソフトウェア バージョン 5.02.00 | |
| NOA81 | Thorlabs | NOA81 | チューブシステムアセンブリ用高速硬化光学接着剤 |
| Opti-MEM | サーモフィッシャー | 31985062 | |
| PCO エッジ 4.2 M-USB-HQ-PCO | pco | ||
| リン酸塩緩衝生理食塩水 (PBS) | 社内で調製された | ||
| プラズマクリーナー | ディーナー フェムト | Pico-BRS | |
| PLL(20 kDa)-g[3.5]-PEG(2 kDa) | SuSoS AG | ||
| シリコンウェーハ mit mircorstructures | 社内で製造された | ||
| Sola Light Engine | Lumencor | ||
| スティッキースライド VI 0.4 | 同上 | 80608 | |
| シルガード 184 シリコーン エラストマー キット | ダウ コーニング | 1673921 | |
| タンゴ 2 | Märzhäユーザー | 00-24-626-0000 | |
| 超純水 | 社内調製 | ||
| コーティングされていないカバースリップ | 同上 | 10813 | |
| Injekt-F Solo, 1 mL | Omilab | 9166017V | (交換用スポーン付き |
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