다공성 기판 전기천공법(PSEP)은 높은 세포 생존율과 일관되고 높은 처리량 전달을 결합합니다. 경상피 전기 임피던스(TEEI) 측정의 도입은 PSEP의 중간 프로세스에 대한 통찰력을 제공하고 무표지 전달을 가능하게 합니다. 이 기사에서는 PSEP 전달 실험과 TEEI 측정 분석을 동시에 수행하는 방법에 대해 설명합니다.
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방법 논문
다공성 기판 전기천공법(PSEP)은 높은 세포 생존율과 일관되고 높은 처리량 전달을 결합합니다. 경상피 전기 임피던스(TEEI) 측정의 도입은 PSEP의 중간 프로세스에 대한 통찰력을 제공하고 무표지 전달을 가능하게 합니다. 이 기사에서는 PSEP 전달 실험과 TEEI 측정 분석을 동시에 수행하는 방법에 대해 설명합니다.
다공성 기판 전기천공법(PSEP)은 높은 처리량과 일관된 전달을 제공하는 새로운 전기천공법 방법입니다. 다른 많은 유형의 세포 내 전달과 마찬가지로 PSEP는 성공적인 전달을 결정하기 위해 형광 마커와 형광 현미경에 크게 의존합니다. 전기천공법 공정의 중간 단계에 대한 통찰력을 얻기 위해 경상피 전기 임피던스(TEEI) 모니터링이 통합된 PSEP 플랫폼이 개발되었습니다. 세포는 다공성 멤브레인이 있는 상업적으로 이용 가능한 삽입물에서 배양됩니다. 완전히 합류하는 세포 단층을 형성할 수 있도록 12시간의 배양 기간을 거친 후, 삽입체는 PSEP 장치의 웰에 위치한 transfection 매체에 배치됩니다. 그런 다음 셀 단층은 사용자 정의 파형을 받고 형광 현미경을 통해 전달 효율성을 확인합니다. 이 워크플로우는 PSEP 공정에 대한 추가 데이터를 수집하기 위해 펄스 현미경과 형광 현미경 간의 TEEI 측정을 통해 크게 향상될 수 있으며, 이 추가 TEEI 데이터는 전달 효율성 및 실행 가능성과 같은 전달 지표와 상관 관계가 있습니다. 이 문서에서는 TEEI 측정으로 PSEP를 수행하기 위한 프로토콜에 대해 설명합니다.
전기천공법은 세포를 전기장에 노출시켜 단백질, RNA 및 DNA를 포함한 화물이 1,2를 통과할 수 있는 세포막에 임시 기공을 만드는 기술입니다. 가장 널리 사용되는 버전은 벌크 전기 천공법(BEP)입니다. BEP는 수백만 개의 세포를 포함하는 전해질로 큐벳을 채우고, 전해질을 고전압에 노출시키고, 화물이 확산 또는 세포내이입(endocytosis)을 통해 세포로 들어갈 수 있도록 하여 수행됩니다1. BEP에는 높은 처리량과 수많은 상업적으로 이용 가능한 시스템을 포함하여 많은 이점이 있습니다. 그러나 BEP 전달에는 제한이 있습니다. 전극에 대한 일관되지 않은 셀 위치 및 인접 셀로부터의 전기장 차폐는 BEP 3,4 동안 전기장 노출에 상당한 변동성을 유발합니다. BEP에 필요한 고전압은 또한 세포 생존력에 상당한 부정적인 영향을 미친다5. 20116 년에 시작된 이래로 PSEP (porous substrate electroporation)라는 전기 천공법 방법에 대한 관심이 높아지고 있지만, 국소 전기 천공법 및 나노 또는 마이크로 전기 천공법 1,7,8을 포함한 다른 이름으로 불리기도 합니다. BEP의 세포 현탁액과 달리 PSEP는 다공성 기판에 부착된 세포에서 수행됩니다. 부착 상태는 인간 세포주(9)의 대다수에 대해 선호될 뿐만 아니라, 기질 내의 기공은 또한 전류에 초점을 맞추어, 세포막(10,11)의 특정 영역으로 막횡단 전위(TMP)를 국소화한다. 이러한 국소화를 통해 인가 전압을 크게 줄여 손상을 줄이며 세포 생존율을 높일 수 있습니다. 이러한 효과의 조합은 세포막 공극 발달을 제어하여 보다 일관되고 효율적인 전달을 가능하게 합니다 1,5,12.
최근 연구에서는 상업적으로 이용 가능한 다공성 멤브레인 인서트(13)(그림 1A,B)를 고정하기 위한 6웰, 금도금 전극 어레이가 있는 PSEP 장치를 소개했으며, 이는 Vindis et al.14에 의해 처음 소개된 관행입니다. 이 장치는 펄스를 적용하고 경상피 전기 임피던스(TEEI)로 알려진 세포 단층 전체에 걸쳐 전기 임피던스를 실시간으로 측정할 수 있습니다13. 장치의 사용자 인터페이스를 통해 electroporation 파형 및 극성을 완벽하게 제어할 수 있습니다. 중요한 것은 실시간 임피던스 측정을 사용하여 값비싼 시약이나 형광 마커 없이도 전달 결과를 예측할 수 있다는 것인데, 이는 무표지 전달로 알려진 개념입니다15.
PSEP 플랫폼은 펄스 발생기 및 TEEI 측정 장비를 수용하는 장치 본체와 다공성 기판이 삽입되고 전기천공이 발생하는 전극 어레이의 두 가지 주요 맞춤형 전기 부품으로 구성됩니다. 모든 맞춤형 전자 장치 및 3D 프린팅 구성 요소에 대한 다이어그램은 GitHub: https://github.com/YangLabUNL/PSEP-TEEI 에서 찾을 수 있습니다. 맞춤형 전자 장치 외에도 플랫폼이 제대로 작동하려면 컴퓨터도 필요합니다. 사용자 지정 소프트웨어를 사용하려면 MATLAB(버전 2021a 이상)을 실행하고 분석을 위해 데이터를 저장하고 액세스하려면 Microsoft Excel이 필요합니다. 이 프로그램은 맞춤형 전자 장치를 제어하고 설정 조정을 위한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공합니다. 이러한 프로그램은 GitHub: https://github.com/YangLabUNL/PSEP-TEEI 에서도 사용할 수 있습니다.
예비 데이터에 따르면 이 과정은 다양한 유형의 부착 세포에 대해 가능하지만(그림 1C), 이 기사에서는 Brooks et al.13에 의해 이 세포주에 대해 최적으로 발견된 매개변수를 사용하여 A431 세포를 준비하는 방법에 대해서만 설명합니다. 또한 프로피듐 요오드화물(PI) 화물은 세포독성이 있기 때문에 두 가지 실험이 수행되는데, 첫 번째는 전달 효율성을 정량화하기 위해 고농도 PI transfection 배지를 사용하고, 두 번째는 장기간에 걸쳐 TEEI를 측정하기 위해 세포 배양 배지만 사용합니다. 이러한 실험은 동일한 전기천공법 파형을 사용하여 결과를 상호 연관시킬 수 있습니다(그림 1D).

그림 1: 전극 어레이 조립 다이어그램 및 기본 데이터. (A) 전극 어레이의 웰 내부 인서트의 CAD 모델. (B) 전극 어레이의 CAD 모델. (C) 선택한 세포주에 대한 PSEP로 인한 임피던스 증가, 세포주당 n = 3. 오차 막대: 평균의 표준 오차입니다. (D) 배송 효율성 vs. TEEI는 상관 관계 데이터를 증가시킵니다. 전달 효율은 전달 실험의 PI 및 calcein 이미지에 라벨링된 세포의 수를 Hoechst로 식별된 총 세포 수로 나누어 계산했습니다. 셀 수는 맞춤형 CellProfiler 파이프라인(전압당 n = 6)을 사용하여 측정되었습니다. 오차 막대: (x축 및 y축) 평균의 표준 오차입니다. 이 그림은 Brooks et al.13 의 허가를 받아 복제한 것입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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연구에 사용된 시약 및 장비의 세부 사항은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 시약의 준비 및 세포 배양
2. 시료 전처리
3. 실험 절차
4. 데이터 분석
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주어진 프로토콜은 TEEI 측정을 사용하여 전기천공법의 중간 프로세스를 검사하고 특히 A431 세포주 및 PI 화물에 대한 배송 예측을 수행하는 방법을 설정합니다. 이 프로토콜의 수정은 이 기사에서 더 자세히 논의되지만 특정 값은 변경될 수 있지만 응답의 일반적인 추세는 일관되게 유지된다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 초기 기준선 아래로 떨어지는 TEEI 데이터는 세포 사멸에 해당하고, 최소값을 초과하는 TEEI 값의 최대 증가는 전달 효율13에 해당합니다. 이러한 일반적인 추세와 그 의미는 아래에서 살펴봅니다.
그림 2A에서 볼 수 있듯이 PSEP 플랫폼을 사용하는 동안 다양한 TEEI 측정 및 세포 이미징 추세가 발생할 수 있습니다. 이 프로토콜의 이상적인 결과는 그림 2Ai에 표시된 최적화된 정상 데이터와 유사한 곡선을...
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그림 2C 는 TEEI가 각 PSEP 파형 전압에 대해 최소값에서 증가하고 기준선에서 감소하는 것을 보여줍니다. TEEI 증가는 감소하기 전에 약 20볼트에서 최고조에 달하는 포물선 아크를 생성하는 반면, 기준선에서 TEEI 감소는 전압이 증가함에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 그림 2D 의 전달 효율 및 소멸 비율은 이러한 추세를 반영하며, 전달 효율은 포물선 모양으로 호를 그리며 약 30V에서 최고조에 이르고 파형 전압이 증가함에 따라 사망이 기하급수적으로 증가합니다.
TEEI 증가를 일으키는 기본 메커니즘에 대한 한 가지 가설은 음전하를 띤 기판 마이크로 채널을 통한 전기 삼투이며, 이는 전기장18,19...
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저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
우리는 NSF (Awards 1826135, 1936065, 2143997), NIH National Institutes of General Medical Sciences P20GM113126 (Nebraska Center for Integrated Biomolecular Communication) 및 P30GM127200 (Nebraska Center for Nanomedicine), Nebraska Collaborative Initiative 및 Voelte-Keegan Bioengineering Support의 자금 지원을 인정합니다. 이 장치는 네브래스카 연구 이니셔티브(Nebraska Research Initiative)에서 부분적으로 자금을 지원하는 NERCF(NanoEngineering Research Core Facility)에서 제조되었습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 15mL 원추형 원심분리기 튜브 | Thermo Scientific | 339651 | |
| 2칩 일회용 혈구계 | Bulldog Bio | DHC-N01 | |
| 75 cm2 조직 배양 플라스크 | fisherbrand | FB012937 | |
| A431 세포 | ATCC | CRL-1555 | |
| Calcein AM | Invitrogen | C3099 | |
| 클래스 II 유형 A2 생물 안전 캐비닛 | Labgard | NU-543-600 | |
| 사용자 정의 구성 요소 | YangLab | https://github.com/YangLabUNL/PSEP-TEEI | |
| 일회용 원심 분리기 튜브 (50mL) | fisherbrand | 05-539-6 | |
| DMEM | Gibco | 11965092 | |
| 소 태아 혈청 | Gibco | A5670401 | |
| 유체 흡인 시스템 | vacuubrand | 20727403 | |
| HERACELL 240i | Thermo Scientific | 51026331 | |
| Hoechst 33342 | Thermo Scientific | 62249 | |
| 인간 플라즈마 Fibronectin | Sigma-Aldrich | FIBRP-RO | |
| 도립 형광 현미경 | Zeiss | 491916-0001-000 | |
| 도립 현미경 | Labomed | TCM 400 | |
| PBS | cytiva | SH30256.02 | |
| PCR 튜브 200 &마이크로; L | Sarstedt | 72.737 | |
| 페니실린 / 스트렙토마이신 | Gibco | 15140148 | |
| 피펫 (0.2-2 µ L) | fisherbrand Elite | FBE00002 | |
| 피펫 (100-1000 &마이크로; L) | fisherbrand Elite | FBE01000 | |
| 피펫 (20-200 &마이크로; L) | fisherbrand Elite | FBE00200 | |
| 피펫 (2-20 &마이크로; L) | fisherbrand Elite | FBE00020 | |
| Propidium Iodide | Invitrogen | P1304MP | |
| Reaction Tube 1.5 mL | Sarstedt | 72.690.300 | |
| Sorvall ST 16R 원심분리기 | Thermo Scientific | 75004240 | |
| Thincert (24-well) | Greiner Bio-One | 662 641 | 0.4 & 마이크로; M 기공 직경, 2x106 cm-2 기공 밀도, 투명 PET |
| 조직 배양 플레이트(24-well) | fisherbrand | FB012929 | |
| Trypan Blue Solution | Sigma-Aldrich | T8154-20mL | |
| 트립신 | Gibco | 15090046 |
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