ポリエチレンテレフタレート(PET)ラミネートを用いたマイクロ流体デバイスの革新的な作製方法により、複数の生きたゼブラフィッシュ胚の捕捉とイメージングのコストと複雑さが大幅に軽減されます。
方法論記事
ポリエチレンテレフタレート(PET)ラミネートを用いたマイクロ流体デバイスの革新的な作製方法により、複数の生きたゼブラフィッシュ胚の捕捉とイメージングのコストと複雑さが大幅に軽減されます。
ゼブラフィッシュの胚は透明であるため、創傷治癒や免疫細胞の遊走などの基本的なプロセスの非侵襲的な生体内イメージングに独自の適しています。マイクロ流体デバイスは、ゼブラフィッシュを含む多細胞生物の長期イメージングをサポートするための捕獲に使用されます。しかし、ソフトリソグラフィーを使用してこれらのデバイスを製造するには、3Dプリンティングの専門的な設備と能力が必要であり、すべてのラボがアクセスできるわけではありません。以前に開発された低コストのポリエチレンテレフタレートラミネートラミネート法をマイクロ流体デバイスの構築に採用したことで、従来の技術のわずかな技術投資で設計の製作と反復が可能になり、アクセシビリティが向上します。この方法で作られたデバイスであるRotational Assistant for Danio Imaging of Subsequent Healing(RADISH)を使用して、薬物治療、手動創傷、および同じ視野で最大4つの胚の長期イメージングに対応します。この新しい設計により、損傷直後の2時間における複数の胚のレーザーアブレーションおよび手動切断創傷の周囲のカルシウム信号の全体的な形態学的特性、および24時間の創傷縁への好中球動員をうまく捉えることができます。
損傷に適切に対応する能力は、単一の細胞から複数の組織まで、あらゆるスケールですべての生物が生存するために重要です。したがって、損傷領域1への食細胞の動員など、創傷とそれに関連する応答は、細胞および組織生物学における重要なトピックです。創傷は、組織バリアが破られた直後に感知され、創傷治癒とその後の再成長4を調整する創傷収縮2,3を含む組織勾配応答を引き起こします。この収縮の機械的性質のため、実験中に使用されるツールは、損傷部位の近くの細胞の動きを物理的に妨げてはなりません。
ゼブラフィッシュの胚は、その手入れの容易さ、遺伝的な扱いやすさ、および光学的透明性5,6により、脊椎動物の創傷反応を含む発生と疾患を研究するための優れたモデルです。しかし、損傷部位の近くの細胞の長期的な挙動を研究するためには、生物全体を長期間固定化する必要があります。低融点アガロースに胚を埋め込むだけで、無傷組織の短期イメージングには十分です。しかし、周囲のゲルマトリックスは、創傷の収縮および弛緩を制限し、経時的に発生中の胚の成長を妨げる7,8,9。
マイクロ流体デバイスは、さまざまな発生段階10、11、12、13、14、15、16でゼブラフィッシュの胚を固定することができ、zWEDGI7などの一部は手動傷害に対応します。ただし、利用可能なデバイス設計にはいくつかの欠点があります。例えば、プラスチックに直接プリントされた多くのデバイスは、光学的透過性が低いため、倒立顕微鏡システムでのイメージングと互換性がありません。さらに、パラレルチャンネルはマルチポジションイメージング10,11を可能にするが、顕微鏡ステージの物理的な動きは画像取得に遅延をもたらす。これらの問題を解決するために反復と最適化を繰り返すことは、特にポリジメチルシロキサン(PDMS)ソフトリソグラフィーを使用した現在のゴールドスタンダードのデバイス製造方法において、すべての新しい設計に必要な財政的および技術的投資を考慮すると困難です。最初のステップであるマスター金型の作成には、多くの場合、3Dモデリングソフトウェアの知識、専用の製造機器へのアクセス、および(使用する材料によっては)金型を使用する前にシラン化などの追加の接着防止処理が必要です。一度注がれたPDMSの硬化には、高温で少なくとも1時間かかり、一般的には、最良の結果を得るためには、真空下またはクランプを使用して、多くの場合、クリーンルームで行う必要があります7,17,18。発生生物学と同様に、これらのコストは、複数のモデルにまたがる多くのユニークなマイクロ流体環境を必要とする実験にとって、急速に法外なものになる可能性があります。
利用可能な代替建材の中で、ポリエチレンテレフタレート(PET)は耐久性があり、毒性がなく、操作が容易です。PETシートは、ほとんどの事務用品店で取り扱っているプラスチックラミネートポーチで、熱活性化接着剤(一般的にはエチレン酢酸ビニル)があらかじめ塗布されています。これらのPETシートを市販のクラフトカッター(ホームクラフター向けに設計されたコンピュータ制御のカッティングプロッター)で成形し、標準的な熱ラミネート装置で層同士を密着させることで、さまざまなデザインを迅速に生成し、反復することができます。したがって、我々は、スタックPET18を含む前述の設計および建設方法を採用して、Subsequent Healing(RADISH)のDanio Imaging用のRotational Assistantを作成しました(図1A、B)。ほぼくさび形のいくつかの拘束チャネルの回転配置は、手動の尾び切断のためのスペースを確保しながら近接性を最適化し、負傷直後のイメージングと、同じ視野内の複数の負傷したゼブラフィッシュ胚の同時長期イメージングに対応します。さらに、この構築方法により、再利用性を維持しながら、初期資本コストとデバイス構築に必要な時間を大幅に削減できます。
この研究では、受精後3日(dpf)の胚を使用しましたが、2〜14個のdpf胚を使用するように設計できます。ゼブラフィッシュの実験は、国際的に認められた基準で行われました。動物の管理と使用に関するプロトコルは、パデュー大学動物管理・使用委員会(PACUC)によって承認され、NIHの学内研究プログラムにおけるゼブラフィッシュの使用に関するガイドライン(プロトコル番号:1401001018)に準拠しています。
1. PETマイクロ流体デバイスの組み立て
注:このプロトコルの任意の部分は、シアノアクリレートの乾燥時間に敏感なステップ1.8および1.9を除いて、いつでも一時停止することができます。
2. 大根内の胚の位置決めとイメージングの準備
3. 創傷後のカルシウム過渡現象のイメージング
注:このセクションとセクション4はオプションであり、サンプル実験の候補として提供されています。
4. 創傷後の好中球動員のイメージング
レーザー走査型共焦点をRADISHの有無で作製した画質を比較するため、インテンシオメトリックカルシウムバイオセンサーGCaMP6f22,24を外側上皮層に発現する胚をMemGlow 560で染色し、尾びれの全体の厚さを覆う逆レーザー走査型共焦点で1フレームあたり1分間隔でイメージングしました(動画2)。デバイスを使用しない場合(図3A)、デバイスを使用したイメージングと比較して、Zスタックを指定された時間分解能内に収まるようにZスタックを25スライスに制限した結果、サンプルが大幅にドリフトし、バンディングアーティファクトが見られました(図3B)。さらに、Tg(krt4:Gal4, UAS:GCaMP6f) x (cdh1-dTomato)xt1821を発現する胚の創傷直後のカルシウム過渡現象を調べるために大根を使用し、内因性E-カドヘリンを赤で、頂端上皮の細胞質カルシウムを緑で強調した。胚は、メスの刃(図4Aおよびビデオ3)またはIRレーザーによる直接レーザーアブレーション(図4B)を使用して中央チャンバーの側面と平行に損傷を与え、その後、尾びれの折り目の全厚さを通して画像化しました。
大根の長期イメージングの有効性を実証するために、創傷後24時間、創傷端への免疫細胞の動員を調査しました。3 dpfのゼブラフィッシュ胚4個、Tol2(mpx:Dendra2)を発現して好中球を緑色23で標識するために、尾部離断により損傷を受け、24時間連続して画像化しました(図5)。傾きや浮遊など、通常3dpfから4dpfの胚に関連するイメージングアーチファクトは著しく欠如しており(ビデオ4)、実験では組織の再成長が妨げられることなく継続されました。創傷縁への好中球動員は画像全体を通して継続し(図5B)、ほとんどの遊走細胞は創傷後24時間までに離脱し(図5C)、予想される炎症の解消と一致します25,26。

図1:PETラミネートマイクロ流体デバイス(RADISH)の設計と使用 (A)個々のPET層の配置と厚さ、組み立て、デバイスの取り付けと使用を示す概略図。(B)最終製品、35mmの皿の3/4インチのカットアウトに取り付けられています。(C)3 dpf胚、(D)5 dpf胚、(E)14 dpf胚をデバイス内に収容。スケールバー = 1,000 μm (C,D,E)。略語:PET =ポリエチレンテレフタレート。RADISH = その後の治癒のダニオイメージングのための回転アシスタント。dpf = 受精後日数。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:PETデバイスアセンブリのステップバイステップの写真イラスト(A)ラミネート前の個々のPET層。(B)オフィステープを使用して25mmのカバーガラスに固定されたPET層。(C)ラミネート用のプラスチックバッキングに固定された進行中のデバイス。(D)完成したPETラミネート装置。(E)デバイス取り付け前の35mmディッシュを変更。(F)完成したデバイス。略語:PET=ポリエチレンテレフタレート。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:RADISHデザインにおける3 dpf胚のレーザー走査型共焦点画像の品質向上 (A)RADISHを使用せずにMemGlow 560で染色した3 dpf Tg(krt4:Gal4, UAS:GCaMP6f) 胚の代表画像。(B)ラディッシュにマウントしたMemGlow 560で染色した Tg(krt4:Gal4, UAS:GCaMP6f) 胚の代表画像。スケールバー = 100 μm。略語:RADISH =その後の治癒のダニオイメージングのための回転アシスタント。dpf = 受精後日数。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:RADISH設計と複数の創傷技術との互換性。 (A) 3 dpf Tg(krt4:Gal4, UAS:GCaMP6f) x (cdh1-dTomato)xt18 胚は、手動尾びれ離断によって負傷した。(B)レーザーアブレーションによって負傷した胚。(C,D)同じ胚が4分後に現れ、傷害後のカルシウム過渡現象の進行を示しています。スケールバー = 100 μm。略語:RADISH =その後の治癒のダニオイメージングのための回転アシスタント。dpf = 受精後日数。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:食細胞遊走のイメージングのための胚の長期捕捉。 (A) Tol2(mpx:Dendra2) 胚は創傷直後、同じ胚は(B)25分後、(C)12時間後、(D)24時間後。スケールバー = 100 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足ファイル1:図1Aに示すように、RADISHデバイス設計用のベクターファイルとPNGファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
ビデオ1:RADISHデバイス設計を使用した手動尾フィン切断の明視野ビデオ。 略語:RADISH = その後の治癒のダニオイメージングのための回転アシスタント。 このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
ビデオ2:図3の非マウント3 dpf Tg(krt4:Gal4、UAS:GCaMP6f)胚の非マウント胚とマウントされた3 dpf Tg(krt4:Gal4、UAS:GCaMP6f)胚の比較、1フレーム/分で取得。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
ビデオ3:図4のメス切断またはレーザーアブレーションによって負傷したTg(krt4:Gal4、UAS:GCaMP6f)x (cdh1-dTomato)xt18胚のカルシウム過渡現象、1フレーム/分で取得。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
動画4:Tol2(mpx:Dendra2)胚における白血球動員と尾びれ再生の長期イメージング 略語:RADISH =その後の治癒のダニオイメージングのための回転アシスタント。HPW = 負傷後数時間。このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
PETラミネート法の大前提は、ソフトリソグラフィーやPDMS成形などの従来のマイクロ流体デバイス作成手段と比較して、コスト削減と技術的な参入障壁の最小化です。そのため、このプロトコルで重要なステップは、ラミネート加工中のPET層の正確な位置合わせと、施工後のデバイスエッジの防水加工だけです。方法の他のすべての部分は、実験的ニーズに応じて変更することができる(例えば、若年または高齢の胚の固定化が必要な場合、PET層の厚さを調整して、それに応じてチャネルを狭くまたは広げることができる)。デザインは、材料が熱に安全で、ラミネーター18,27を介して送られるのに十分な薄さである限り、任意の形状で作成し、任意の基材にラミネートすることができます。PETシートは、3次元ではなく2次元の画像ファイルを読み取る市販のクラフトカッターを使用してカットされるため、任意のデバイスの設計と反復は、画像編集プログラムで白黒の形状を操作する機能のみを必要とし、難易度が劇的に低下します。このソフトウェア選択の柔軟性と使用される材料の商業的利用可能性は、一般的なマイクロ流体デバイスのアクセシビリティの劇的な増加を表しており、PDMS金型製造17の開始機器コストが2000ドル以上であるのに対し、この論文の執筆時点では500ドル未満の初期費用で、あらゆる研究室や教室での使用を可能にしています。
さらに、この方法を使用して単一の使用可能なデバイスを作成するのに必要な時間は、一般的なソフトリソグラフィーと比較して大幅に短縮されます。必要なソフトウェアに精通していると仮定すると、1つのユニークなPETラミネートマイクロ流体デバイスを概念化、製造し、シアノアクリレートの硬化時間 を含め て~3時間ですぐに使用できます。元の設計ファイルに必要な編集の規模にもよりますが、イテレーションにかかる時間はさらに少なく、追加の時間投資を最小限に抑え、追加の機器を必要とせずに、複数のバリアントデバイスを並行して作成できます。この方法を使用して作成されたデバイスは、さまざまな理由(接着不良や、多くの層を持つ形状や長いアスペクト比の形状に対する内部応力など)により、PDMSで作成されたデバイスよりも耐久性が低くなりますが、その安価な性質とスケーラブルな製造により、はるかに簡単に交換できます。商業クラフトカッターは、同じ正確なカットを何度も繰り返す能力で販売されており、PETには有効期限がないため、完成したデザインの個々のレイヤーを事前にまとめて準備して、将来の任意の時点で組み立てて使用することができ、必要な全体的な時間投資をさらに削減できます。
ただし、速度と変動性には精度が犠牲になります。従来のPDMS成形と比較したPETラミネートの主な制限は、空間分解能です。市販のクラフトカッターは、約500μm未満の形状の鋭角に苦戦することが多く、PETラミネートシートは33μm以下の厚さ(パッケージ上の寸法に含まない接着剤自体の厚さを含まない)では入手できないため、この手法を適用できるスケールは大幅に制限されます。また、最大層数はラミネーターのサイズによっても制限され、メーカーによって異なる場合があります。
レジストレーションとアライメント技術、材料サプライヤー、ソフトウェアのバリエーションを含むプロトコルの最終バージョンは、ユーザーの好みに大きく依存します。しかし、この手法のアクセシビリティと全体的な柔軟性により、適応のコストを削減できます。個々のユーザーは、独自のニーズに合わせてアプローチを適応させるために、必要なだけ反復することをお勧めします。
著者には、開示すべき利益相反はありません。
この研究は、国立衛生研究所(R35GM119787からQD)からの研究資金提供によって支援されました。この研究は、全米科学財団(NSF)の生物学統合研究所であるEMBRIO Institute(NSF契約#2120200)の支援を受けた取り組みに基づいています。共焦点イメージングは、Purdue Imaging Facilityで実施しました。Tg(UAS:GCaMP6f)ラインを提供してくださったGuangjun Zhang博士(パデュー大学)に感謝します。(cdh1-tdtomato)xt18ラインを提供してくださったDavid Tobin博士(デューク大学)に感謝します。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 直径25mmの丸いカバーガラス#1 | Chemglass Life Sciences | CLS-1760-025 | 取り付け材料。厚さは顕微鏡レンズの仕様に基づいて選択されました。 |
| Adobe Illustrator v28.5 | デバイスパターンをデザインするための | Adobe | N / A |
| 塩化カルシウム二水和物 | フィ | ッシャーC79E3 | 培地を作るため。 |
| デザインPNGファイル(オンラインミラー) | N/A | N/A | br/> https://i.ibb.co/FDpQYXc/multipositionalv7-2.png https://i.ibb.co/5TG4SB6/multipositionalv7-3.png |
| Design Space for Desktop v8.39 | Cricut | N/A | クラフトカッターを駆動するための独自のソフトウェア。 |
| Fusion Plus 7000L | GBC | 1703098 | サーマルラミネーター。この特定のモデルは、最大シートスタックサイズなどの生活の質の機能のために選択されました。 |
| ドイツの超硬プレミアムブレード | Cricut | 10396595 | クラフトカッター用の交換用ブレード。 |
| グレーベーシックツールセット | Cricut | 10307854 | 刈り取り、マットのクリーニング、PETシートの取り付け用のツールセットです。オプション。 |
| 塩化マグネシウム六水和物 | アクロス有機 | 223211000 | E3培地を作るため。 |
| メーカー3 | Cricut | 10669040 | Craftカッター。Cricut Maker 3 は、ソフトウェアの使いやすさのために Silhouette Cameo 4 よりも選択されましたが、白黒画像を読み取ることができるクラフト カッターであれば何でも機能します。 |
| MemGlow 560 | 細胞骨格 | MG02-10 | 細胞膜用の赤色生細胞色素。洗濯は不要です。図3で使用。 |
| No. 22 カーボンメスブレード | ジカルデザイン | 22-079-697 | カット調整用のメスブレード。同様のクラフトナイフ(X-acto #2ナイフなど)も機能します。 |
| 塩化カリウム | フィッシャーBP366E3 | 媒体の製造用。 | |
| 塩化ナトリウム | ッシャーBP358E3 | 媒体を作るため。 | |
| StandardGrip 粘着カッティングマット | Cricut | 10138842 | クラフトカッター用取り付けマット。LightGrip カッティング マットも機能しますが、除草や除去中に接着剤の強度により最終的なカットが反る可能性があるため、StrongGrip および FabricGrip カッティング マットは避けてください。マットの接着剤は、使用を続けると最終的には摩耗します。必要に応じてマットを交換します。 |
| ステーショナリーテープ 12 mm | Deli | 30014 | オフィステープ。デリブランドは、ラミネート後の取り外しの容易さについてテストによって選択されました。 |
| 瞬間接着剤、液体 | ロックタイト | 1364076 | シアノアクリレート接着剤。<強力>使用する接着剤は液体でなければなりません。ゲル配合物は、デバイスのエッジを十分に密閉または防水しません。 |
| PETサーマルラミネートポーチ、3ミル | コッチ | TP3854 | PETシート、熱接着剤付き。シーツはサンドイッチされたペアとして届くため、使用前に分離する必要があります。粘着面を下にしてカットします。 |
| PETサーマルラミネートパウチ、5ミル | コッチ | TP5854 | PETシート、熱接着剤付き。シーツはサンドイッチされたペアとして届くため、使用前に分離する必要があります。粘着面を下にしてカットします。 |
| トリカイン (MS-222) | シンデル | IC10310680 | 魚の麻酔薬。 |
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