Celinvasie is een belangrijk proces waarmee cellen keldermembraanbarrières kunnen passeren als reactie op omgevingssignalen van stromale cellen. Het is een cruciale stap in verschillende stadia van ontwikkeling voor immuunresponsen, wondgenezing, weefselherstel en maligniteiten die kunnen evolueren van lokale laesies tot invasieve en gemetastaseerde kankers1. Assays die al vroeg zijn ontwikkeld om het invasieve potentieel van celpopulaties te meten, genereren meestal een enkele eindpuntmeting of vereisen pre-labeling van invasieve cellen2. De integratie van micro-elektronica en microfluïdica-technieken is nu ontwikkeld om verschillende aspecten van celbiologie te detecteren, zoals levensvatbaarheid, beweging en hechting met behulp van de elektrische impedantie van levende cellen op micro-elektroden 3,4. Impedantiemeting maakt een labelvrije, niet-invasieve en kwantitatieve beoordeling van de celstatusmogelijk 3. Hier beschrijven we een array met drie kamers op basis van het ontwerp van het Real-Time Cellular Analysis (RTCA) -systeem dat werd ontwikkeld door Abassi et al.5. De driekamerige array maakt het mogelijk om co-gekweekte cellen te beoordelen op cellulaire invasie en herstel van invasieve cellen voor aanvullende analyses of uitbreiding.
In het celanalysatorsysteem dringen cellen binnen door een extracellulaire matrix die is gecoat op een poreus membraan en bereiken een interdigitated elektrode-array aan de andere kant van de barrière. Naarmate de invasieve cellen zich in de loop van de tijd blijven hechten en deze elektrode-array bezetten, verandert de elektrische impedantie parallel. Het huidige systeem bestaat uit een celinvasie en migratie (CIM) 16-well plaat met twee kamers. Het RTCA-DP (dual purpose) (voortaan dual purpose cell analyzer genoemd) instrument bevat sensoren voor impedantiemeting en geïntegreerde software om de impedantiegegevens te analyseren en te verwerken. Impedantiewaarden bij baseline zijn afhankelijk van de ionische sterkte van media in de putten en worden veranderd als cellen zich aan de elektroden hechten. De impedantieveranderingen zijn afhankelijk van het aantal cellen, hun morfologie en de mate waarin cellen zich aan de elektroden hechten. Een meting van de putten met media voordat de cellen worden toegevoegd, wordt beschouwd als het achtergrondsignaal. De achtergrond wordt afgetrokken van impedantiemetingen na het bereiken van evenwicht met cellen die zich hechten en verspreiden op de elektroden. Een eenheidsloze parameter van de status van de cellen op een elektrode genaamd Cell Index (CI) wordt als volgt berekend: CI = (impedantie na evenwicht - impedantie bij afwezigheid van cellen) / nominale impedantiewaarde6. Wanneer migratiesnelheden van verschillende cellijnen worden vergeleken, kan de Delta CI worden gebruikt om de celstatus te vergelijken, ongeacht het verschil in hechting dat wordt weergegeven in de eerste paar metingen.
De nieuw ontworpen array met drie kamers bouwt voort op het bestaande ontwerp en maakt gebruik van de bovenste kamer van het dual purpose cell analyzer-systeem dat de elektroden bevat. De gemodificeerde midden- en onderkamers zijn aangepast om de assemblage in de dual purpose celanalysator te passen voor impedantiemeting en -analyse met behulp van de geïntegreerde software. De twee belangrijkste verbeteringen die het nieuwe ontwerp biedt ten opzichte van de bestaande CIM-plaat met twee kamers (voortaan celanalysatorplaat genoemd) zijn: i) het vermogen om invasieve celsubpopulaties die aanwezig zijn in heterogene celmengsels te herstellen en vervolgens te analyseren en ii) de optie om de impact van uitgescheiden factoren van co-gekweekte stromale of immuuncellen op celinvasie te beoordelen (figuur 1).
Deze technologie kan nuttig zijn bij het bestuderen van de subpopulaties van cellen met verschillende invasieve capaciteiten. Dat omvat (a) invasieve kankercellen die omliggende weefsels of bloed- en lymfevaten binnendringen of extravaseren op gemetastaseerde zaaiplaatsen in verre organen, (b) cellen van het immuunsysteem die weefsels binnendringen om ziekteverwekkers of zieke cellen aan te pakken, (c) endotheelcellen die weefsels binnendringen om nieuwe bloedvaten te vormen tijdens weefselreorganisatie of wondgenezing, evenals (d) stromale cellen uit de tumormicro-omgeving die samen met kankercellen ondersteunen en binnendringen. De aanpak maakt de opname van stromale cross-talk mogelijk die de celmotiliteit en invasie kan moduleren. De hier getoonde haalbaarheidsstudies gebruiken deze gemodificeerde array gericht op kankercelinvasie en de interactie met het stroma als een modelsysteem, inclusief endotheelinvasie als reactie op differentiële signalen van kankercellen. De aanpak kan worden geëxtrapoleerd om kankercellen en andere celtypen zoals subpopulaties van immuuncellen, fibroblasten of endotheelcellen te isoleren. We hebben invasieve en niet-invasieve gevestigde borstkankercellijnen getest als een proof of principle. We gebruikten ook cellen van patiënt-afgeleide xenograft (PDX) invasie in reactie op immuuncellen uit menselijk beenmerg om haalbaarheid aan te tonen voor toekomstig gebruik, ook in klinische diagnostische omgevingen. PDX zijn tumorweefsels van patiënten die worden geïmplanteerd in immuungecompromitteerde of gehumaniseerde muizenmodellen om studie van groei, progressie en behandelingsopties voor de oorspronkelijke patiënt mogelijk te maken 7,8.