ここでは、上皮組織恒常性の電気機械的調節を研究するために、独自の2層マイクロ流体デバイスを製造するためのプロトコルを提示します。この装置は、組織面に垂直な静的な生理学的電流を印加し、細胞間の接着、増殖、および押し出しに影響を与えます。生細胞イメージングと機械的ストレス測定により、これらのプロセスのメカニズムが明らかになります。
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ここでは、上皮組織恒常性の電気機械的調節を研究するために、独自の2層マイクロ流体デバイスを製造するためのプロトコルを提示します。この装置は、組織面に垂直な静的な生理学的電流を印加し、細胞間の接着、増殖、および押し出しに影響を与えます。生細胞イメージングと機械的ストレス測定により、これらのプロセスのメカニズムが明らかになります。
細胞の挙動と細胞の運命は、内因性または外部から印加された電流または磁場の影響を受けます。静電気信号は、カスタマイズされたマイクロ流体デバイスに適用して、発達、創傷治癒、恒常性などのゆっくりとした生理学的プロセスにおける電気環境を模倣できます。細胞電気研究の重要なクラスは、~0.1-1000 A / m2の電流密度で、巻線電流を模倣する単純なマイクロ流体チャネル内の静的面内ガルバニック電流による細胞移動の制御です。ただし、互換性のない形状のため、これらのデバイスは、細胞が根尖基底極性と経上皮電位差 (TEPD) を採用する組織恒常性における電気効果の研究には適していません。ここでは、コンフルエント上皮細胞層の平面に垂直な生理学的イオン電流を印加してTEPDを乱し、組織定常状態の電気的調節を調査する独自のマイクロ流体ベースのデバイスについて詳しく説明します。このセットアップは、選択した細胞外マトリックスタンパク質でコーティングされた柔らかいポリアクリルアミドゲル基質を埋め込んだ2層のUV硬化性ポリマーから作られています。このマイクロ流体デバイスは、センチメトリックスケールの細胞層全体に比較的均一なイオン電流を誘導するために、正しい形状と透過性基板を提供します。このセットアップは、共焦点生細胞イメージングおよび牽引力顕微鏡と互換性があり、経上皮電流によって誘発される機械的ストレスを推測します。驚くべきことに、細胞の増殖、押し出し、および遊走は、イオン電流の方向に応じてコンフルエント上皮内で集合的に影響を受け、さまざまな細胞間相互作用の強さ、細胞イベント(死と増殖)、および組織構造を特徴とする新しい組織状態を誘発します。電気的に制御された細胞の挙動は、電気的に誘発された機械的ストレスと細胞応答として理解できます。この新しいマイクロ流体デバイスとプロトコルは、メカノバイオロジーおよび生物工学コミュニティが組織恒常性における電気的効果を研究し、新しい組織工学アプリケーションを開発するために必要なツールとドキュメントを提供します。
生体電気信号は、細胞の挙動を支配する重要な生物物理学的要因です。最も有名な例は、ニューロンと心臓細胞の活動電位で、電気信号を長距離(最大1メートル)および高周波(最大数百ヘルツ)で伝達します1。電極で印加された電気パルスは、活動電位の発火を刺激するために使用でき、研究および医療用途に役立ちます2。発達、創傷治癒、恒常性などの遅い生理学的プロセスにおける内因性生体電気信号 3,4,5,6,7,8 も、数時間から数日にわたって測定されています 9,10。重要な例は、数ミリボルトから数十ミリボルトの範囲の経上皮電位差(TEPD)を積極的に維持するコンフルエント上皮層です4,11。これらの合流層の切り傷または創傷は、組織の電気的活動によって駆動される短絡電流を生成します12,13。最大数十μA/cm2の巻線電流と最大数百mV/mmの電界が、さまざまな技術で報告されています。研究によると、これらの電気信号は、細胞が治癒プロセスにとって重要な創傷または感染部位に向かって移動するための方向性の手がかりを生成することが示唆されています3,6,14。一般に、静的(またはゆっくりと変化する)電気信号と高速で変化する電気信号の両方が重要であり、異なる細胞または組織の応答を引き起こします。
ゆっくりと変化する信号の領域では、重要な現象の1つが「ガルバノタキシス」と呼ばれる電気駆動の移動プロセスです。制御された面内ガルバニック電流は、単純なチャネルを備えたマイクロ流体デバイスに適用して巻線電流を模倣することができ、細胞移動は電流密度の関数として調査されます15,16。0.1〜1000 V / m(対応する電流密度は0.1〜1000 A / m2)の電界は、このin vitro設定で多くの細胞型の細胞遊走を促進することがわかっています17、一方、PI3Kなどの走化性(化学勾配によって導かれる細胞遊移)に標準的なシグナル伝達経路は、ガルバノタキシスに関与しています7,18.ガルバノタキシス研究用の「ベアボーン」マイクロ流体デバイスは、標準的なソフトリソグラフィーおよび微細加工技術で製造できます19。これらのデバイスは通常、スライドガラスに接着された単一チャネルのポリジメチルシロキサン(PDMS)基板で構成されます(チャネル断面積サイズ:数百マイクロメートル、長さ:センチメートル)。静電流を供給するために使用される電極は、セル領域から遠く離れた場所に設置され、ソルトブリッジの有無にかかわらず接続されます。ソルトブリッジ接続は、PDMS基板、マイクロ流体コネクタ、および寒天で満たされたチューブに穴を開けることによって行うことができます。チャネルの下にある単純なスライドガラス(通常厚さ170μm)は、ガルバノタキシス実験中の高解像度の生細胞イメージングもサポートしており、これはプロセスを研究する上で重要な機能です。
組織恒常性の維持における内因性電気信号の役割は、創傷治癒における役割よりもはるかに理解されていません。重要な理由の1つは、無傷の組織でこれらの効果を研究するための適切なツールが不足していることです。ガルバノタキシス用のマイクロ流体デバイスは、面内電流のみをサポートする形状のため、この目的には適していません。上皮恒常性の文脈では、コンフルエント上皮層を横切るTEPDまたは面外電流を制御および摂動するための新しいデバイスが必要です。単層全体に比較的均一なイオン電流密度を適用するという目的を達成するために、デバイスの形状、材料の使用、 およびその場生 体力学的測定機能に革新をもたらしたマイクロ流体デバイスを設計および製造しました4。電気的効果は、この機能で研究できるバイオメカニクスおよびメカノバイオロジー経路との結合を通じて細胞の挙動に影響を与える可能性があるため、後者の機能は重要です。
この新しいデバイスは、複数の革新的な機能を示しています。ガルバノタキシスデバイスに見られる単一のチャネル(形状の革新)ではなく、2つの層で設計されており、電極チャンバーへの接続は後者と同様のままです。最初のマイクロ流体層には、イオン電流を組織領域に(または組織領域から遠ざける)ためのチャネルがあり、2番目の層には、この2番目のマイクロ流体層の上にある上皮を横切ってこの電流を垂直に導く開口部があります(図1A、B)。微細加工技術は、サンプルの厚さを増やすマイクロ流体層の積層にもかかわらず、高解像度の共焦点イメージングが可能になるように、十分に薄い層を生成するために使用されます。その他の重要なイノベーションでは、ポリアクリルアミド(PA)合成ヒドロゲルがデバイスの中央に組み込まれており、これが重要な役割を果たしています(図1A、B)。細胞外マトリックスタンパク質をコーティングするための利用可能な化学的性質、イオンへの透過性、および既知の弾性など、このゲルの物理化学的特性は、それぞれ細胞の付着と成長、面外電流の印加、および電気刺激中の機械的応力20 の測定に不可欠です。バリア構造は、以前のマイクロ流体デバイス21 で行われたように、PAゲル前駆体溶液を閉じ込めるために組織領域の層1に組み込まれています(図1A、B)。最後になりましたが、PAゲル重合は酸素ガスを透過するPDMS表面で酸素阻害されるため、別の材料22 がデバイス製造に使用され、PAゲルの重合および緊密な結合を可能にすることができます。新しいデバイスが機能するには、すべての革新的な機能が不可欠です。
全体として、無傷の組織の恒常性における静的またはゆっくりと変化する生体電気信号の詳細な研究は、この新しいデバイスによって可能になり、そのプロトコルについては以下で詳しく説明します。ここで言及されているプロトコルと結果は、電流によって誘発される細胞イベント(増殖、死、押し出し、および遊走)および組織構造変化を含む、Madin Darby Canine Kidney II(MDCK II)上皮細胞株に焦点を当てています。これらの研究は、この技術を適用して、細胞層や初代細胞や2Dオルガノイドなどのより複雑なシステムにおける細胞イベントの電気的調節と細胞イベントの誘導、および細胞運命の変化を研究することに関心のある研究者にとっても有益です。
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注:このプロトコルは、静電流を印加してコンフルエント上皮のTEPDを乱すセットアップを構築し、生細胞イメージングおよびメカノバイオロジー技術を通じてその効果を研究するためのステップを提供します(図1)。セットアップは、顕微鏡での多重実験用の複数のデバイスを収容するためにカートリッジ、インサート、およびホルダーに結合されたマイクロ流体チップで作られたデバイス、ソースメーターとデバイスに接続された一対の電極チャンバー、および適切な生細胞状態を維持するための生細胞チャンバーの蓋で構成されています(図1C)。カートリッジおよびセットアップのその他の重要なコンポーネントの設計原則とCADファイル図面は、 補足ファイル1にあります。手順には次のものが含まれます。1) PDMS ソフト リソグラフィー。2)チップ製造とデバイスアセンブリ。3) セットアップの完了。4)単層増殖と生細胞実験。このプロトコルで使用される試薬および材料に関する詳細情報は、 材料 表 に記載されています。
1. PDMSソフトリソグラフィ
注:このセクションでは、マイクロ流体チップのUV硬化型接着剤ベースの層を成形するために、SU-8ウェーハ(図2A、B)からPDMSエラストマーを製造する方法について詳しく説明します。
2. チップ製造とデバイス組み立て
注:低粘度のUV硬化性ポリマー(最大UV吸収範囲350〜380 nm)を使用して、PDMS成形を通じてマイクロ流体チップを製造します。UV硬化型接着剤は、ポリアクリルアミド(PA)ヒドロゲルを透明でイオン透過性のある弾性セル基質として統合することができます。PAゲルの特性は、生細胞イメージングと静電流刺激を可能にする組織機械的ストレスセンサーとしてサポートされています。チップは最終的に、培地を収容し、電極チャンバーに接続するカートリッジに取り付けられます。
3. セットアップ完了
注:デバイスを作成したら、細胞播種用のECMタンパク質でPAゲルをコーティングし、電気刺激のためにデバイスを電極チャンバーに接続し、デバイスをインサート、ホルダー、および多重化された生細胞イメージング実験用の生細胞チャンバーの蓋に配置することにより、セットアップを完了します(図1C)。
4. 単層増殖と生細胞実験
注:適切なコンフルエント単層を形成し、単層のコンフルエントと電気抵抗に依存する均一に分布した電流密度を達成するため。次に、顕微鏡で適切な生細胞の状態を確保し、長期イメージングおよび電気刺激実験を行います。
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ここで提示されたすべての結果は、以前の出版物4 から適応されています。詳細については、この出版物を参照してください。
このプロトコルにより、細胞または組織の平面に垂直な外部イオン電流または電場を印加することができます。この電気刺激は、内因性経上皮電位差 (TEPD) を乱し、組織の挙動の支配における TEPD の役割を研究することを可能にします。プロトコルに従って、野生型および遺伝子編集されたMDCK細胞(GFP-アクチン、H1-GFPおよびGFP-E-カドヘリンMDCK)をデバイスに播種し、コンフルエントまで3日間増殖させました。電流の方向の影響を研究するために、3つのデバイスをホルダーに配置し、同じ電極室と電源メーターに接続しました。1つのデバイスが制御として機能し(電流なし、タイゴンチューブがクリップ)、他の2つのデバイスは、電流の方向が互いに反対になるように反対方向に配置されました(BtA:基底から頂端方向を指す電流、およびAtB:頂端から基底方向を指す電流)。セットアップ全体を生細胞チャンバーを備えた共焦点顕微鏡に取り付け、...
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このプロトコルは、経上皮電位摂動実験を実行し、生細胞イメージングおよびメカノバイオロジー手法を通じて生体電気効果を研究するための新しいマイクロ流体デバイスを製造するための詳細な手順と設計ロジックを提供します。この方法の重要性は、他の関連方法と比較すると明らかです。たとえば、関連する方法の1つは、ガルバノタキシス(電流密度の関数としてのセル移動)を研究するために定常面内電流を印加するシングルチャネル設計の単純なマイクロ流体チップを使用します15,16。どちらのチップ設計も、印加電流の対称性と電流によって制御されるセルの動作が大きく異なります。ガルバノタキシスを刺激する電流は、細胞の前後極性と細胞遊走に作用し、TEPDを乱す電流は、細胞の根尖基底極性と組織定常状態に作用します。このプロトコルで提示されたものに匹敵する別の方法は、流体ポンプおよび同様のマイクロ流体チップ形状25を使用して、上皮の平面に垂直な流体の...
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すべての著者が利益相反を開示していることを確認してください。
XJ、PX、FF、およびTBSは、Xumei Gao博士、Xinru Yu、および組織生物物理学研究所の他のグループメンバーとの有益な議論を認めています。概略図の作成を支援してくれたウェストレイク大学のカスタマイズ技術サービス施設(CTSF)に感謝します。この研究は、ウェストレイク教育財団、ウェストレイク生命科学および生物医学研究所、およびウェストレイク大学の未来産業研究センター(RCIF)の支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1x DPBS | ギブコ | 14190144 | ||||
| 3-(トリメトキシシリル)メタクリル酸プロピル、TPM | シグマ | 2530850 | 開封後は窒素下で保管してください。 | |||
| 50 mL ファルコンチューブ | コーニング | 430829 | 50 mLのファルコンチューブキャップに4つの穴を開けて、電極とチューブがキャップを通過して培地に浸すことができます。マイクロ流体デバイスのセットには、少なくとも2つのキャップが必要です。 | |||
| 酢酸 | シノファーム | 10000208 | ||||
| アクリルアミド溶液、40% | シグマ | 79061 | 毒性 | |||
| ポンプ座 | OKOラボ | OKO-APの | 顕微鏡ステージトップインキュベーターのコンポーネント | |||
| 過硫酸アンモニウム、APS | アラジン | A112447 | ||||
| カートリッジ | - | - | カートリッジは特注品で、デザインは補助資料を参考にしています。原材料はPCマクロロン2858医療グレードで、詳細はこちらにあります https://solutions.covestro.com/zh/products/makrolon/2858_000000000000508397?SelectedCountry=US | |||
| クリップ | - | - | ロバート・クリップ、チューブ用 外径4.5mmの. https://item.taobao.com/item.htm?id=18717491819&pisk=gAsj0ailDjcjqv-tCE2rVYReT5-1h8rFWA9OKOnqBnKv6A1RBjpxDchRepvBWczD0Ft1wQS2gt-v6c1NQi5NBGJOfnjPucR4ih6OThNUTkrFntYBXWPETzI4tHpikchwH3nJbds8Mz2dntxMXYlT8aBmCOO1qfp968tJCdc9XKnte89wBdK9MFh-ypdJXhdvkYpJBpn9HCnYF3pDKKhv6qK-edJXXCC9X86JZdt96bH_3dwJgtw2FbzzkyxCHQitXiEMlB_i7ci1TKLfXtd5zaSWhEOpWac1uiCPBiSDrzgJjT7C1NCLaqRARp1W8ZNIc61DB6tV4jeJXFQP8E_7McOP0dTpXUMtXTtPPFsWvkhWEaBVWifjCcpc0M86tUwtjF-RYeQdGA2henpOsejatmAAB9jh8HZjtK_Rd3syxDRBL50sFem6FBy7FV0GhSGPYc782SYvEK__F8GxLEpkFBy7FV0MkLvf18wSMv5..&spm=a21xtw.29978518.0.0&skuId=3344063585144 | |||
| コラーゲンI | コーニング | 354236 | ||||
| DI Milli-Q 水 | ミリQ | - | ||||
| ダルベッコ修飾鷲培地、DMEM(高グルコース) | ギブコ | 11965092 | DMEM++はDMEMに10% を追加します。FBS(シグマ-アルドリッチ)、および100 単位/mL ペニシリン-ストレプトマイシン (Gibco)。 | |||
| エンクロージャーブラックケージ | OKOラボ | H201 | 顕微鏡ステージトップインキュベーターのコンポーネント | |||
| 落射蛍光倒立顕微鏡 | オリンポス | IX83 | ||||
| エタノール無水 | シノファーム | 10009218 | ||||
| ウシ胎児血清 | シグマ | F8318 | ||||
| 蛍光ビーズ、0.1 &L、レッド(580/605) | 熱 | F8801 | ||||
| ガス室 | OKOラボ | H201-PRIOR-SP200/400/600 | 顕微鏡ステージトップインキュベーターのコンポーネント | |||
| ガス手動ミキサー | OKOラボ | 2GFミキサー | 顕微鏡ステージトップインキュベーターのコンポーネント | |||
| ジェネチキン | ギブコ | 10131027 | GFP–アクチンとH1–GFP MDCKは、0.5&thinspを添加した培地を使用して維持されました。遺伝子発現を維持するためのmg/mLジェネチシン(Gibco) | |||
| ヘペス | シグマ | 736459 | ||||
| イソプロパノール | シノファーム | 80109218 | ||||
| キムワイプ | キンバリー・クラーク・プロフェッショナル | LH-70155 | 研究室用ワイパー | |||
| 長いネジ | - | - | ニッケルメッキ丸頭十字精密小ねじ、M3 x 10 mm。 https://item.taobao.com/item.htm?id=604899872494&pisk=gbX7s64OI40STNJKAQqqhx58y8d9NoyapDtdjMHrvLpJOvIP5HkeT7xIdEsTqUP3Zw1fJZAyyeRedH_wogkUqgrQdMI9yp5yzHQVRZcPz98FuJsG5QkPv9oliNStUTPkLv9kKpUa7RyZqgvHpfPM7c0okhx_LYdKpLvx7Uiz6RyNqiiy2lSYQ9Sp5stS9vQpwIpvqEhKe3QpMKKBkYKKeH3YcEYv24HKwxnvvh0K9wKdDnKkV03KeBKYHhYvJppdJiEXYELK1OzXm7TRVu-iUlqUdgsJlvHdeJAv5LhELvJw2Q6d2EsV0ttWNFRjAbyCeZSdUTA09X9h01_C9NUqaUC6fZONNPM55axdAHQ7IcTAFM6XZsoZBisfv1Rf3leMFLLRTLjEfzSfFaSlhMoKML9PGC6WBR0J8sS1dH63--_1vGfpG9g54UMw5pb-OMiidnTacoGntEWrjhPgtYw2wnxVQoZjPXAJmn1UcoGntQKDm2rbc4Gh.&spm=tbpc.boughtlist.suborder_itemtitle.1.494a2e8d0lg31n | |||
| マイクロ流体コネクタ | - | - | ポリプロピレンストレートユニオンフィッティング、1/16 "-10-32UNF。マルチウェルプレートホルダー | OKOラボ | H201-MW-ホルダー-NZ500 | 顕微鏡ステージトップインキュベーターのコンポーネント |
| N'、N'-メチレンビスアクリルアミド、2% | シグマ | 110269 | 毒性 | |||
| NOA 73 | ノーランド製品 | 17-345 | UV硬化型接着剤 | |||
| ペニシリン-ストレプトマイシン、PS(10,000 U/mL) | ギブコ | 15140122 | ||||
| シャーレ(150mm&25mm) | コーニング | 430599 | 少なくとも80度まで抵抗します。Cで2時間 | |||
| ピコプラズマツール | Diener Electronic GmbH + Co. KG | ピコプラズマ | O2プラズマ処理用 | |||
| プラズマクリーナー | ハリックプラズマ | PDC-002 | 空気プラズマ処理用 | |||
| プラスチック皿(直径60mm、高さ15mm) | 巣 | 705001 | ||||
| プラチナ電極 | 天津アイダ・恒生 | Pt005 | 直径0.5mm、長さ37mm | |||
| Rain-X オリジナルガラス撥水 | ITWケミカルプロダクツ | 800002242 | ||||
| 長方形カバーガラス | マリエンフェルト | 0107222 | 1.5H、24 & 急性;50 mm2、170 &m厚み | |||
| 丸型ガラスカバーガラス | マリエンフェルト | 0111500 | 1.5H、直径10mmの丸型 | |||
| 短いネジ | - | - | ニッケルメッキ丸頭十字精密小ねじ、M3 x 4 mm。 https://item.taobao.com/item.htm?id=604899872494&pisk=gbX7s64OI40STNJKAQqqhx58y8d9NoyapDtdjMHrvLpJOvIP5HkeT7xIdEsTqUP3Zw1fJZAyyeRedH_wogkUqgrQdMI9yp5yzHQVRZcPz98FuJsG5QkPv9oliNStUTPkLv9kKpUa7RyZqgvHpfPM7c0okhx_LYdKpLvx7Uiz6RyNqiiy2lSYQ9Sp5stS9vQpwIpvqEhKe3QpMKKBkYKKeH3YcEYv24HKwxnvvh0K9wKdDnKkV03KeBKYHhYvJppdJiEXYELK1OzXm7TRVu-iUlqUdgsJlvHdeJAv5LhELvJw2Q6d2EsV0ttWNFRjAbyCeZSdUTA09X9h01_C9NUqaUC6fZONNPM55axdAHQ7IcTAFM6XZsoZBisfv1Rf3leMFLLRTLjEfzSfFaSlhMoKML9PGC6WBR0J8sS1dH63--_1vGfpG9g54UMw5pb-OMiidnTacoGntEWrjhPgtYw2wnxVQoZjPXAJmn1UcoGntQKDm2rbc4Gh.&spm=tbpc.boughtlist.suborder_itemtitle.1.494a2e8d0lg31n | |||
| Sulfo-SANPAH、計量なし | 熱 | A35395 | SSストック溶液:無水DMSO中20 mg / mL、2&μ;それぞれにL。SS作業溶液:HEPES中の0.5 mg / mL SS(0.1 M、pH 7.4)。 | |||
| SYLGARD 184 シリコーンエラストマーキット | ダウコーニング | H052KCM147 | 最終製品はポリジメチルシロキサン、PDMSです。このキットには、ベースPDMS樹脂と架橋剤が含まれています。 | |||
| 温度単位 | OKOラボ | H201-T-ユニット-BL | 顕微鏡ステージトップインキュベーターのコンポーネント | |||
| テトラメチルエチレンジアミン、TEMED | シグマ | 110189 | 毒性 | |||
| タッチスクリーンディスプレイ | OKOラボ | オコタッチ | 顕微鏡ステージトップインキュベーターのコンポーネント | |||
| トリデカフルオロ-1,1,2,2-テトラヒドロオクチル-1-トリクロロシラン | シグマ | 78560459 | ||||
| トリプシン-EDTA(0.25%) | ギブコ | 25200072 | ||||
| タイゴンチューブ | タイゴン | AJK00002 | 外径(OD)=3.2mm、内径(ID)=1.6mm | |||
| 超音波洗浄機 | サプミール | KD-300DEシリーズ | ||||
| UVLED硬化機 | GHUV | GHS-MFLG | UV-LED光源、発光範囲:363–370 nm、最大出力密度:230 mW/cm2 | |||
| 振動のない加湿モジュール | OKOラボ | HM-VF型 | 顕微鏡ステージトップインキュベーターのコンポーネント | |||
| ビジビュー | ビジットロンシステムズGmbH | - | イメージングソフトウェア | |||
| ウェハ層1 | シンガポール国立大学機械生物学研究所微細加工施設 | - | ウェーハは特注で、デザインは補助材料を参考にしています。 | |||
| ウェハ層2 | シンガポール国立大学機械生物学研究所微細加工施設 | - | ウェーハは特注で、デザインは補助材料を参考にしています。 |
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