In dit artikel presenteren we een microfluïdische chip voor single cell analyse. Het maakt de kwantificering van intracellulaire eiwitten, enzymen, cofactoren, en tweede boodschappers via fluorescentie assays of immunoassays.
Methodenartikel
In dit artikel presenteren we een microfluïdische chip voor single cell analyse. Het maakt de kwantificering van intracellulaire eiwitten, enzymen, cofactoren, en tweede boodschappers via fluorescentie assays of immunoassays.
Wij presenteren een microfluïdische apparaat dat de kwantitatieve bepaling van intracellulaire biomoleculen in meerdere afzonderlijke cellen parallel maakt. Hiertoe worden de cellen passief gevangen in het midden van een microkamer. Na activering van de besturingslaag wordt de cel geïsoleerd van de omringende volume in een kleine kamer. De omliggende volume kan dan worden uitgewisseld zonder dat de geïsoleerde cel. Echter, bij korte openen en sluiten van de kamer, de oplossing in de kamer kan worden vervangen binnen een paar honderd milliseconden. Door de omkeerbaarheid van de kamers kunnen de cellen worden blootgesteld aan verschillende oplossingen achtereenvolgens een zeer controleerbare wijze, bijv. voor incubatie, wassen en tenslotte cellysis. De goed afgesloten microchambers staat het behoud van het lysaat, minimaliseren en de controle van de verdunning na cellysis. Aangezien lysis en analyse plaatsvinden op dezelfde locatie, is hoge gevoeligheid behouden omdat geen verdere dilution of verlies van de analyten optreedt tijdens het transport. De microkamer ontwerp maakt daarom de betrouwbare en reproduceerbare analyse van zeer kleine kopie-aantallen van intracellulaire moleculen (attomol, zeptomol) vrijgelaten uit individuele cellen. Bovendien kunnen vele microchambers worden opgesteld in een matrix format, waarbij de analyse van vele cellen tegelijk, aangezien geschikte optische instrumenten worden gebruikt voor bewaking. We hebben al gebruik van het platform voor proof-of-concept studies naar intracellulaire eiwitten, enzymen, co-factoren en second messengers in zowel relatieve of absolute meetbare wijze te analyseren.
Vele studies in het verleden cel tot cel verschillen binnen een grote celpopulatie 1-3, in het bijzonder signalering verwerkt 4 of de hoeveelheden intracellulaire biomoleculen zoals eiwitten 5,6, metabolieten en cofactoren 7,8 geopenbaard. Deze heterogeniteit wordt geacht fundamenteel belang voor de aanpassing en evolutie 9 cellen toe, maar spelen ook een belangrijke rol bij het ontstaan en behandeling van ziekten zoals kanker 10-13. Daarom studies over de eencellige niveau van groot belang in biologisch en farmacologisch onderzoek, vooral als deze studies tonen de verschillende celreacties na behandeling met bioactieve chemicaliën.
De laatste jaren zijn veel analytische platforms ontwikkeld die de analyse van afzonderlijke levende cellen of de chemische samenstelling van de celinhoud vergemakkelijken. Terwijl fluorescent geactiveerde cel sortering (FACS) is de gouden stAndard voor hoge-doorvoer analyse van afzonderlijke levende cellen, de methode niet worden toegepast voor de kwantificering van intracellulaire of uitgescheiden verbindingen. De opkomst van microfluïdische platforms heeft nieuwe analytische strategieën voor de positionering, de behandeling en observatie van enkele cellen beloofd. Een mijlpaal in microfluidics werd bereikt met de integratie van flexibele PDMS kleppen gerealiseerd door Quake en collega's 14,15. Deze kleppen zijn nuttig omdat ze regio's kunnen isoleren op chip, bijv. scheiden twee culturen 16. Bovendien zijn ze bijzonder toepasbaar voor single cell analyse en daarom bijdragen aan analyt verdunning te verminderen. De kracht van deze aanpak voor single-cell analyse is onlangs aangetoond door Hansen en collega's, die de genexpressie geanalyseerd uit honderden individuele cellen in parallel 17.
Bij targeting eiwitten en metabolieten, de analyse moeilijk door het ontbreken van een geschiktemplification methoden, het grote aantal verschillende verbindingen aanwezig zijn, en de verschillen in chemische aard. Bovendien zijn de meeste intracellulaire biomoleculen verwacht aanwezig in lage kopie-aantallen in de orde van enkele tienduizenden 18 te zijn, vandaar de gebruikte analysemethode moet een hoge gevoeligheid hebben. Krachtiger testen zoals immunoassays en enzym-linked immunoassays (ELISA) zijn moeilijk te integreren in microfluïdische apparaten omdat ze vereisen een aantal wassen en incubatie stappen evenals oppervlak immobilisatie.
Als gevolg van deze uitdagingen, is het niet verwonderlijk dat slechts een paar voorbeelden zijn gemeld waar eiwitten of metabolieten werden gekwantificeerd op de single-cell niveau. Zo hebben studies naar de uitscheiding van fluorescerende verbindingen gemeld 19,20. Onlangs heeft de uitvoering met ELISA werd voor de analyse van uitgescheiden (niet-fluorescerende) eiwitten van een celkweek (THP-1-cellen) 21 en single (immune) cellen 10. Targeting intracellulaire eiwitten, Shi et al.. Ontwikkelde een microfluïdische apparaat dat de identificatie van intracellulaire eiwitten voor de analyse van signaal transductie in tumorcellen door middel van een immunoassay 11 vergemakkelijkt. Slechts relatieve hoeveelheden eiwitten werden bepaald en geen enzymatische amplificatie werd gebruikt om het signaal voor lage abundantie proteïnen verhogen.
Onlangs waren we in staat om een single-cell trapping microdevice met fluorescentie-assays 8 en immunoassays 22 (figuur 1) te combineren. Cellen worden passief gevangen in microsized hindernis structuren, die het aanbod en (snelle) uitwisseling van middelgrote en andere chemische middelen zonder enige beweging van de cellen mogelijk te maken. Een ringvormige klep rond elke val maakt isolatie van de cel in een zeer klein volume ("de microkamer"). Deze klep wordt geactiveerd direct na de invoering van een cel-lyseren (hypoosmolar) buffer, hijNVU voorkomen intracellulaire moleculen of uitgescheiden moleculen weg te diffunderen. Het belangrijkste is, vanwege de kleine grootte van het volume (625 pl) grote verdunning van de moleculen wordt vermeden. Aangezien lysis en analyse uitgevoerd op dezelfde positie in de chip, is er geen verlies van analyten door transport. Het ontwerp van de chip hier beschreven bestaat uit 8 afwisselend rijen van 7 of 8 microchambers, in totaal 60 microchambers. De kamers worden bediend in rijen, zodat kruisbesmetting langs een lijn is uitgesloten.
Het platform kan gebruikt worden in combinatie met fluorescentie assays en immunologische assays (figuur 1d). Voor deze laatste, hebben we protocollen voor immobilisatie van de antilichamen, die met de chip productie en assemblage proces. Vandaar het platform opent de weg voor de gevoelige, betrouwbare en kwantificeerbare assays op de enkele cel niveau. Tot nu toe hebben we de inrichting voor de analyse van intracellular en uitgescheiden enzymen (relatieve kwantificatie door enzymatische assays), intracellulaire cofactoren, eiwitten en kleine moleculen (absolute kwantificatie door eindpunt assays of ELISA). Hieronder beschrijven we de werkwijze chip fabricage door middel van zachte meerlaagslithografie en protocollen voor patroonvorming van de antilichamen via microcontact printen en oppervlaktechemie. Daarnaast is een aantal voorbeelden van de chip gebruik en behandelingen worden gegeven.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. SU-8 master Fabrication
Bereid zowel de master vormen voor de kanalen (vloeibare en controle voor schema en afmetingen zie figuur 2) met het volgende protocol maar met verschillende maskerpatronen. Het proces is weergegeven in figuur 3a.
2. Master Fabrication voor Microcontact Printing
3. Fabricage van de Microfluidic Chip
Een tweelaags apparaat ontwerp wordt gebruikt voor deze experimenten. De twee lagen worden afzonderlijk bereid en aan elkaar gehecht voordat de chip eindelijk gebonden op een glasplaatje (figuur 3b). Deze stap beschrijft de productie van de PDMS lagen en PDMS stempel voor microcontact afdrukken.
4. Bonding naar Glass Slide
Om het apparaat te gebruiken voor directe enzymatische assays, de enige stap vereist na hechting is het blokkeren van oppervlakken. Voor dit protocol, ga dan naar A. Echter, om de microfluïdische chip voor immunoassays of ELISA's gebruiken, verwijzen wij u naar het protocol B om de bindingsplaatsen alleen om het glaasje (dwz voor TIRF microscopie of SPR) te beperken. Als deze beperking is niet van belang, zie A, maar gebruik gebiotinyleerde conjugaten in stap 4.3 en ga verder met stap 4.8in protocol B om een volledig functionele oppervlak te creëren.
Voorafgaand aan het uitvoeren van protocol A en B: Het is raadzaam om alle gebruikte eiwitoplossingen voor het inzetten in de chip filteren. Vuil en eiwitcomplexen kunnen anders cel vallen blokkeren, waardoor het aantal kamers die kunnen worden gebruikt voor analyse verminderen. Hiervoor gebruikt u een nonprotein adsorberende filterinstallatie om alle oplossingen te filteren voordat de introductie ervan in de kanalen.
Protocol A (enzymatische assays)
Protocol B (immunoassays)
Voor een compleet overzicht van de oppervlakte modificatie van stap 4.7 verder wordt verwezen naar Tabel 1.
5. Celexperimenten
Het protocol is in het algemeen vanwege de verscheidenheid van mogelijke assays. Als voorbeeld wordt de reagentia nodig voor het G6PDH toxiciteit test gegeven. De eerste cel trapping efficiëntie van het apparaat is ongeveer 2,5%, dwz 5 van de 200 cellen zullen worden opgesloten. De definitieve bezetting van de cel vallen sterk afhankelijk van de gebruikte cellijn, het protocol op te schortende cellijn en het moment dat de cellen worden gespoeld door het kanaal. Voor cellen die van nature groeien in suspensie (bijvoorbeeld U937), kunnen enkele cellen worden gevonden in ongeveer 75% van de kamers na enkele minuten. De andere kamers zijn ofwel niet gevuld of bezet door twee of meer cellen. In het algemeen, de eencellige bezetting is kleiner voor hechtende cellijnen. Bij gebruik van de eerder mild suspendeerfase protocol hier gepresenteerde, het percentage af tot ongeveer 30% (HEK, MLT-cellen). De eencellige bezetting kan worden verbeterd door trypsine behandeling van de cellen, maar dit kan ook de resultaten van de experimenten veranderen.
Afhankelijk van het doelmolecuul kan adsorptie of absorptie PDMS de resultaten beïnvloeden. Adsorptie kan worden verminderd door het blokkeren van de oppervlakken met BSA of PLL-g-PEG. Absorptie is het onwaarschijnlijk voor de meeste hydrofiele biomoleculen, maar het moet worden gecontroleerd voor (kleine) lipofiele cel componenten.
Protocol A (enzymatische assays)
Opmerking: Kies een buffer die geschikt is voor de test, maar kaal in het achterhoofd dat sterke reinigingsmiddelen (zoals Triton, SDS) Lyse cellen onmiddellijk en zal leiden tot een verlies van analyt tijdens kamer opening.
Protocol B (immunoassays)
Voor een korte beschrijving van de ELISA celexperimenten (debieten, kamer-status, etc.) wordt verwezen naar Tabel 1.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het platform kan een aantal intracellulaire en afgescheiden moleculen in of geproduceerd door enkele cellen te analyseren. Hier willen we ander voorbeeld studies aan de verscheidenheid van mogelijke tests onderstrepen. We zullen een voorbeeld voor een uitgescheiden enzym (figuur 5a) en een intracellulair enzym (figuur 5b) en eiwit (Figuren 5c en d). Voor meer voorbeelden, zoals co-factoren of kleine moleculen, verwijzen wij u naar Eyer et al.. ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Microfluidics technologie heeft nieuwe en fascinerende mogelijkheden voor single-cell analyse. In het bijzonder, heeft de mogelijkheid te vangen en te immobiliseren cellen individueel microfluïdische gereedschappen toegestaan systematische korte en lange-termijn studies over eencellige eigenschappen en de respons. Bovendien inkapselen van cellen in hoogfrequente microdruppeltjes, gegenereerd op een microchip heeft enkele cel secretie studies, die niet kan worden uitgevoerd met gebruikelijke cytometrie inrichtingen ing...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.
De auteurs zeer erkentelijk voor Tom Robinson voor het proeflezen van het manuscript, C. Bärtschi en H. Benz voor de bouw van de custom-built drukregelsysteem. We willen ook graag het gebruik van de clean room faciliteit FIRST en het Licht Microscopie Centrum (LMC), zowel bij ETH Zürich erkennen. Het werk werd gefinancierd door Merck Serono en de European Research Council (ERC) in het kader van het 7e Kaderprogramma (ERC Starting Grant, project geen. 203.428, nμLIPIDs).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| REAGENTS: | |||
| Naam van het reagens | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen (optioneel) |
| SU-8 2015 | MicroChem Corp. (Netwon, MA) | n.v.t. | |
| 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyl-dimethylchloro-silaan | ABCR (Karlsruhe, Duitsland) | AB103608 | |
| 4-Methylumbelliferyl β-D-N,N′-diacetylchitobioside hydraat | Sigma Aldrich | M9763 | |
| Aceton | Merck VWR (Darmstadt, Duitsland) | 100014 | |
| Avidine | AppliChem (Axon Lab AG) | A-2568 | |
| AZ 1518 | AZ Electronic Materials (Wiesbaden, Duitsland) | n.v.t. | |
| AZ 726 ontwikkelaar | AZ Electronic Materials (Wiesbaden, Duitsland) | n.v.t. | |
| Bovine serumalbumine | Sigma Aldrich | A-4503 | |
| Bovine serumalbumine, biotin | Sigma Aldrich | A-8549 | |
| Celldissociatiebuffer | Invitrogen | 13151-014 | |
| Hexamethyldisilazaan (HDMS) | Sigma Aldrich | 40215 | |
| Zoutzuur | Fluka | 84422 | |
| Isopropanol | Merck VWR (Darmstadt, Duitsland) | 109634 | |
| Magnesiumchloride hexahydraat | Fluka | 63068 | |
| MR developer 600 | Microresist technology GmbH (Berlijn, Duitsland) | n.v.t. | |
| PBS | Invitrogen | 10010-031 | |
| PLL-g-PEG gegraft | SuSoS, (Dübendorf, Zwitserland) | n.v.t. | |
| PLL-g-PEG gegraft biotin | SuSoS, (Dübendorf, Zwitserland) | n.v.t. | |
| Kaliumchloride | Fluka | 60132 | |
| Proteïne G, biotin | Sigma Fine Chemicals | 41624 | |
| Siliciumwafer | Si-Mat (Kaufering, Duitsland) | n.v.t. | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS) | Dow Corning | 39100000 | |
| Tris(hydroxymethyl)-aminomethaan | Biorad | 1610716 | |
| Tween 20 | Biorad | 1706531 | |
| APPARATUUR: | |||
| Materiaalnaam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen (optioneel) |
| 0,22 µm PES spuitfilter | TRP | 99722 | |
| 1/1,5 mm biopsie puncher | Miltex, York PA | 33-31AA/33-31A | |
| Cell Trics filter 20 µm | Partec | 04-004-2325 | |
| Centrifuge Sigma 3-18K | Kuehner | n.v.t. | |
| Hotplate HP 160 III BM | Sawatec, Sax, Zwitserland | n.v.t. | |
| MA-6 mask aligner | Karl Suess | n.v.t. | |
| Multizoom AZ100M microscoop | Nikon Corporation | n.v.t. | |
| Fotomasker | Microlitho, Essex, U.K. | n.v.t | |
| Plasma Cleaner PDC-32G | Harrick | n.v.t. | |
| Spin coater Modell WS-400 BZ-6NPP/LITE | Laurell | n.v.t. | |
| Spin Modules SM 180 BM | Sawatec, Sax, Zwitserland | n.v.t. | |
| Step profiler Dektak XT Advanced | Bruker | n.v.t. | |
| Spuitpomp neMESYS | Cetoni | n.v.t. |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen