Protocollen voor enkel neuron microfluïdische arraying en water maskeren voor de in-chip plasma patroonvorming van biomateriaal coatings worden beschreven. Sterk verbonden co-culturen kan worden bereid met minimale cel ingangen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Protocollen voor enkel neuron microfluïdische arraying en water maskeren voor de in-chip plasma patroonvorming van biomateriaal coatings worden beschreven. Sterk verbonden co-culturen kan worden bereid met minimale cel ingangen.
Microfluïdische uitvoeringen van de Campenot kamer hebben veel belangstelling trok van de neurowetenschappen. Deze onderling co-kweek platforms kunnen worden gebruikt om een verscheidenheid aan vragen te onderzoeken, verspreid ontwikkelings-en functionele neurobiologie infecties en ziekten propagatie. Echter, conventionele systemen zijn aanzienlijke cellulaire ingangen (duizenden per compartiment), matig voor het bestuderen lage abundantie cellen, zoals primaire dopaminerge substantia nigra, spiraal ganglia en neuronen Drosophilia melanogaster en onpraktisch voor hoge doorvoer experimenteren. De dichte culturen zijn ook zeer lokaal verstrengeld, met weinig uitwassen (<10%) onderling verbinden van de twee culturen. In deze paper eenvoudige microfluïdische en patroonvorming protocollen beschreven die deze uitdagingen aan: (i) een microfluïdisch enkel neuron arraying methode, en (ii) een water-masking methode voor plasma patroonvorming biomateriaal coatings te register de neuronen en bevorderen uitgroei tussen de compartimenten. Minimalistische neuronale co-cultures werden bereid met hoog niveau (> 85%) intercompartment connectiviteit en kan worden gebruikt voor high throughput neurobiologie experimenten met enkele cel precisie.
Neuronaal weefsel is zeer complex; een heterogeen cellulaire mengsel dat ruimtelijk wordt besteld binnen bepaalde lagen en compartimenten en met plastic connectiviteit via de mobiele contacten en vooral via axon en dendriet uitwassen. Nieuwe technieken zijn nodig om meer experimentele vrijheid om diepere inzichten en mechanismen ontrafelen centraal in de ziekte, ontwikkeling en gezonde functie krijgen verlenen. De Campenot kamer 1,2 en meer recent microfabricated 3,4 uitvoeringsvormen kunnen worden gebruikt voor de ex vivo bereiding van neuronale netwerk co-kweken met de mogelijkheid om selectief verstoren de verschillende somatische populaties alsook hun neurieten uitwassen. Deze microfluïdische inrichtingen zijn bijvoorbeeld gebruikt om axon degeneratie en regeneratie studie volgende chemische 5,6 of laser axotomy 6-8, tauopathie 9, virale verspreiding 10,11 en mRNA lokalisatie in axonen 4.
ent ">Om het bereik van de neurobiologen breiden, zijn technologische ontwikkelingen nodig om minimalistische neuronale co-culturen te bereiden. Dit maakt ontvlechting van het neuronale netwerk voor het onderzoek naar het systeem met enkele cel en sub-cellulaire precisie. De vereiste minimale aantal cellen mogelijkheden voor de zeldzame celtypen, inclusief dopaminerge substantia nigra cellen ziekte van Parkinson, spiraal ganglia van het oor, perifere neuronen relevante analyseren en stamcellen. Afgezien van deze, cellulaire economie is aan het 3V-initiatief betrokken. Met behulp van deze microfluïdische platforms, grootschalige toxiciteit schermen of andere high throughput, kan data rijke experimentele serie waarbij dierlijke neuronen nu worden beschouwd.
In deze protocollen voor de vervaardiging en het gebruik van een microfluïdische inrichting worden beschreven. Microfluïdische arraying in combinatie met een in situ biomaterial patroonvorming methode kan worden gebruikt voor de registratie van sterk gekoppelde neuronale co-cultuur met minimale mobiele nummers. Microfluïdische arraying is gebaseerd op een differentiële stroom benadering 12-15, waarbij de microgestructureerde vallen worden geplaatst binnen een fluïdumkringloop (geïllustreerd met SEM-afbeeldingen in Figuur 1). Het pad 0 → 1 heeft de onderste vloeibare weerstand (R2> R1) voor het transporteren neuronen een lineaire reeks microgestructureerde openingen - de inlaten naar de neuriet uitgroei kanalen. Bezetting van de trap door een cel belemmert plaatselijk de stroom naar de stroomlijnen leiden voor het vangen latere cellen in naburige vallen. Volledige bezetting van de vallen in de array schakelt de vloeibare ratio (R 1> R 2) aan de stroomlijnen te leiden in de kronkelend pad (0 → 2) om een bypass modus operandi te produceren voor het verwijderen van overtollig neuronen.

Figuur 1. Microfluidic Circuit. A) De differentiële weerstand fluïdumkringloop voor enkel neuron arraying, met begeleidende cultuur kamers verbonden door neurietuitgroei kanalen. B, C) SEM beelden van de dubbellaag verzuilde neuron co-cultuur array met meniscus pinning micropillars. Met dit ontwerp, werden drietand-vormige neuron trapping structuren gebruikt om fasciculatie van de neuriet uitwassen te promoten. Figuur en legende overgenomen met toestemming van de Royal Society of Chemistry (RSC) 12. Klik hier voor grotere afbeelding.
De voorbereiding van micropatterned neuronale netwerken op vlakke ondergronden kan gemakkelijk worden bereikt (voor exampl es uit onze groep, zie Frimat et al.. 16 en Heike et al.. 17). Echter, het inkapselen van bioactief materiaal patronen in PDMS-apparaten en met de eis van micrometer-schaal afstemming van deze aan de microfluïdische kanalen vormt een grote technische uitdaging. In paragraaf 3.1 een protocol voor de in-chip, of in situ, de voorbereiding van biomateriaal patronen wordt gepresenteerd. Deze patronen stellen neuron registratie bij langdurige cultuur termijnen en uitwassen tussen compartimenten te promoten. Meniscus-pinning microstructuren worden gebruikt om een zogenaamde water masker af te stemmen op de neuron arraying sites en neurietuitgroei kanalen. Het water masker beschermt adhesiemolecule coatings tijdens plasma behandeling, terwijl blootgestelde oppervlakken worden gedesintegreerd het biomateriaal patroon definiëren. Daarnaast zijn protocollen voorzien celcultuur en vloeibare isolatie voor de selectieve behandeling van de verschillende co-cultuur compartimenten.
ve_content "> De protocollen zijn ontworpen om de gebruiker ingestelde principes van zachte lithografie hefboomwerking voor de replicatie van poly (dimethylsiloxaan) (PDMS) microfluïdische inrichtingen 18. Ook in situ biomateriaal patroon is eenvoudig, verdamping en oppervlaktespanning verschijnselen exploiteren, en slechts waarbij een goedkope draagbare plasmabron. Het microfluïdische circuit effectief programma cel laden en compartimentspecifieke behandelingen die deze bewerkingen Op deze wijze is het de bedoeling een kwestie van doseren materialen in de juiste onderste poort en opzuigen van boven. de neurobiologists geven de vrijheid voor te bereiden en te gebruiken microfluïdische apparaten in hun eigen laboratoria.Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De protocollen zijn bedoeld voor neurologen, en zijn in figuur 2. Als zodanig is het aanbevolen dat microfabricage van de SU-8 masters voor PDMS replicatie uitbesteed aan commerciële en institutionele voorzieningen. De twee lagen masker ontwerpen zijn vrij beschikbaar als aanvullende informatie (ZIP) op de Royal Society of Chemistry website 12. Belangrijk is, moet de eerste SU-8 lagen worden vervaardigd tot een diepte van 2,5-3,0 urn, en de tweede tot een diepte van 25-30 urn. Dit zijn belangrijke dimensies noodzakelijk voor een effectieve neuron arraying. De 3 micron hoogtebegrenzing moet ook voorkomen neuronen vervoer of migreren tussen de twee compartimenten 12.
1. Microfluïdische apparaat replicatie in PDMS
2. Apparaat Montage en Interconnectie
3. Biomateriaal Patterning en Microfluidic Operations
De protocollen voor in situ biomateriaal patroon, neuron cultuur en vloeibare behandelingen zijn geïllustreerd in figuur 2.

Figuur 2. Illustrated microfluïdische protocollen. A) PL en PLL-g-PEG patronen; toevoeging van de cel hechtlaag (bv.PL, groen), met verdamping produceren van de lijn water masker B) Atmosferische plasma behandeling van de blootgestelde PL.; twee antenne worden gebruikt, met het plasma introductie antenne geïllustreerd met een roze ster. C) PBS (blauw) het wassen door aspiratie wordt gebruikt om te voorkomen dat besmetting van de plasma-behandelde gebied met PL. D) Levering van PLL-g-PEG (rood ) door aspiratie om de vacht van de plasma-behandelde gebieden E) Mobiele laden.; gelijktijdige microfluïdische arraying van neuronen zowel flankerende compartimenten door aspiratie, F) media (roze) perfusie met een hydrostatische aangedreven stroming G) Geïsoleerde fluidisch behandelingen.; perifere behandeling van een test-agent (zwart) geleverd vanaf de bodem flankerende inlaat door aspiratie en H) centrale behandeling verlost van de onderste centrale inlaat door aspiratie. Figuur en legende overgenomen met toestemming van de Royal Society of Chemistry(RSC) 12. Klik hier voor grotere afbeelding.
Onmiddellijk na plasma hechten van de PDMS microfluïdische kanalen zijn zeer hydrofiel (contacthoek ≤ 5 °). Dergelijke oppervlakken zijn geschikt voor de hechting en cultuur van cellijnen zoals gedifferentieerde menselijke SH-SY5Y neuron-achtige cellen. Voor de ex vivo cultuur van primaire neuronen en cultuur van neuronale precursor cellijnen zoals de humane Lund mesencefale cellijn (LUHMES) een polyamine coating, hetzij polylysine (PL) of polyornithine (PO), dient als een elektrostatisch anker. Bovendien adhesie-eiwitten zoals laminine en fibronectine zijn vaak nodig als integrine interfacing coating. Echter, de PL en PO coatings binden gemakkelijk neuronen, belemmeren de microfluïdische levering aan de array sites en ook het opleggen van ongewenste schuifspanningen. Om dit probleem op te lossen in-chip biomateriaalpatroonvorming is nodig om de hechting materialen lokaliseren bij de val sites en de uitgroei microkanalen. Dit bevordert ook de ontwikkeling van inter-compartiment verbindingen en vermindert plaatselijke verstrengeling. Het protocol omvat ook de toevoeging van PEG materialen om aangrenzende gebieden om ervoor te zorgen eiwitten en neuronen worden beperkt tot de gewenste locaties tijdens langdurige cultuur. Het volgende protocol is beschreven in Figuur 3:

Figuur 3. Water maskeren voor biomateriaal patroonvorming door plasma sjabloneren. A) Illustratie van het water maskeerproces met het PDMS micropillars pinning het water meniscus in de plaats voor plasma sjabloneren. De kromming van de meniscus in het verticale vlak verwaarloosd. B) Water masker gevisualiseerd met een rode kleurstof en gepositioneerd door meniscus pinning. C) Het patroon PL-FITC coating afgebeeld na plasma sjabloneren. D) Toevoeging van eiwitten te verwerpen en cel afstotend PLL-g-PEG-TRITC een plasma patroon PL-FITC coating. Dit werd gebruikt voor de registratie van SH-SY5Y cellen en ook voor patroonvorming tegen fibronectine laag voor LUHMES cellen. Figuur en legende overgenomen met toestemming van de Royal Society of Chemistry (RSC) 12. Klik hier voor grotere afbeelding.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Water maskeren exploits oppervlaktespanning. De druk tolerantie voor lucht-vloeistof grensvlak schalen tegengesteld aan de kromtestraal [
, Het produceren van zeer stabiele interfaces op microfluïdische dimensies. De micropillars effectief verankeren het water masker op zijn plaats. Water masker vorming wordt door verdamping uit de microfluïdische havens, de steeg door verhitting. Met behulp van de warmte van een lage vergroting (4X - 1...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De microfluïdische arraying techniek is de eerste in zijn soort die precisie enkel neuron handling maakt voor het vaststellen van minimalistische culturen. In combinatie met de in situ biomateriaal patroonvorming methode, een krachtige aanpak van de cel patronen af te stemmen op microfluïdische structuren, deze minimalistische culturen hebben hoge intercompartment connectiviteit niveaus met beperkte lokale verstrengeling. Deze functies kunnen worden gebruikt voor de efficiënte onderzoek tussen compartimenten tr...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen.
De auteurs zijn dankbaar Ulrich Marggraf (ISA's) bij SU-8 fabricage en Maria Becker (ISA) voor SEM beeldvorming. Het onderzoek werd financieel ondersteund door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG WE3737/3-1), een Bundesministerium für Bildung und Forschung subsidie (BMBF 0101-31P6541) en door het Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen. Heike Hardelauf dankzij de Internationale Leibniz Graduate School "Systems Biology Lab-on-a-Chip" voor financiële steun.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| PDMS Sylgard 184 | Dow Corning | ||
| PDMS Elastosil RT 601 | Wacker | ||
| Coverslips | VWR | 630-1590 | 130-160 mm dik |
| 3 mm biopsie punchers | Kai Medical | Voorzichtig hanteren - extreem scherp | |
| Tygon tubing | Fisher Scientific | S-50-HL | 1,65 mm ID; 3,35 mm OD |
| 1 ml spuit (Inkjekt en Omnifix) | Braun | 6064204 | |
| 4-Way tubing connector | VWR of Fisher Scientific | ||
| Stroomregelaar | Harvard Apparatus | 722645 | |
| 0,5 mm pinnen | Naaikundige afdelingen | ||
| PLL-g-PEG | SuSoS | PLL(20)-g[3,5]-PEG(5) | Stabiliteit tijdens opslag kan een probleem zijn |
| poly-D-lysine | Sigma-Aldrich | P6407 | |
| Polylysine-FITC | Sigma-Aldrich | P3069 | |
| Polyornitine | Sigma-Aldrich | P4957 | |
| Fibronectine | Sigma-Aldrich | F2006 | |
| Laminine | Sigma-Aldrich | L2020 | |
| PBS | Sigma-Aldrich | P4417 | |
| Omgekeerde fluorescentiemicroscoop | |||
| Voorbeeld aspiratiepomp | KNF Neuberger, Laboport | N811KVP | |
| Handbediende corona-ontladingsapparaat | Leybold-Heraeus, USA | VP23 | Mogelijk niet voldoen aan de veiligheidsnormen van uw land |
| Femto plasma oven | Diener Electronic | ||
| Vacuum dessicator of centrifuge |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.