$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Enkele cellen zijn dynamische, visco-elastische materialen1. Een veelheid aan interne en externe processen (bijv. het begin van mitose of remodellering van de extracellulaire matrix [ECM]), beïnvloeden hun structuur en samenstelling 2,3,4, wat vaak resulteert in verschillende biofysische eigenschappen die hun huidige toestand aanvullen. In het bijzonder is aangetoond dat mechanische eigenschappen belangrijke biomarkers zijn van cellulaire ontwikkeling, fysiologie en pathologie, wat waardevolle kwantitatieve informatie oplevert die canonieke moleculaire en genetische benaderingen kan aanvullen 5,6,7. Li et al. beschreven bijvoorbeeld onlangs de mechanische verschillen tussen geneesmiddelresistente en geneesmiddelresponsieve acute promyelocytaire leukemiecellen, terwijl ze ook RNA-seq gebruikten om differentieel tot expressie gebracht cytoskelet-geassocieerde genen te ontdekken8. Door het complexe samenspel tussen eencellige mechanica en cellulaire functie te begrijpen, heeft mechanofenotypering bredere toepassingen bij het transformeren van basiswetenschap en klinische diagnostiek9.
Het meest gebruikte hulpmiddel voor het meten van eencellige mechanica is atoomkrachtmicroscopie (AFM). Hoewel AFM een gelokaliseerde meting van cellulaire mechanische eigenschappen met hoge resolutie mogelijk maakt, blijft deze beperkt tot een doorvoer van <0,01 cellen /s10. Als alternatief zijn optische brancards, die twee divergente laserstralen gebruiken om gesuspendeerde enkele cellen11 te vangen en te vervormen, beperkt tot marginaal hogere doorvoersnelheden van <1 cel / s12. Recente ontwikkelingen in microfluïdische technologieën hebben een nieuwe generatie apparaten mogelijk gemaakt voor snelle, eencellige, mechanische beoordeling 12,13. Deze technieken maken gebruik van smalle vernauwingskanalen14,15, schuifstroom16 of hydrodynamischuitrekken van 17 om cellen snel te vervormen bij doorvoersnelheden van 10-1.000 cellen / s18. Hoewel de meetsnelheid van deze benaderingen aanzienlijk sneller is dan conventionele technieken, ruilen ze vaak high-throughput-mogelijkheden in voor beperkte mechanische uitlezingen (aanvullende tabel 1). Alle bovengenoemde snelle microfluïdische methoden richten zich op basisstatistieken met één parameter, zoals transittijd of vervormbaarheidsverhoudingen, die alleen de elastische eigenschappen van een cel weerspiegelen. Gezien de intrinsieke visco-elastische aard van afzonderlijke cellen, vereist een robuuste en grondige mechanische karakterisering van cellen echter niet alleen aandacht voor elastische componenten, maar ook voor viskeuze reacties.
Mechano-node-pore sensing (mechano-NPS)2,8 (Figuur 1A) is een microfluïdisch platform dat bestaande beperkingen met eencellige mechanofenotypering aanpakt. Deze methode maakt het mogelijk om meerdere biofysische parameters tegelijkertijd te meten, waaronder celdiameter, relatieve vervormbaarheid en hersteltijd van vervorming, met een matige doorvoer van 1-10 cellen / s. Deze techniek is gebaseerd op node-pore sensing (NPS)19,20,21,22,23,24, waarbij een vierpunts sondemeting wordt gebruikt om de gemoduleerde stroompuls te meten die wordt geproduceerd door een cel die een microfluïdisch kanaal passeert dat is gesegmenteerd door bredere regio's, aangeduid als "knooppunten". De gemoduleerde stroompuls is het gevolg van het feit dat de cel de stroomstroom in de segmenten (d.w.z. "poriën") en knooppunten gedeeltelijk blokkeert, met meer stroom geblokkeerd in de eerste dan in de laatste. In mechano-NPS is één segment, het "contractiekanaal", smaller dan een celdiameter; bijgevolg moet een cel vervormen om het hele kanaal te passeren (figuur 1B). De celdiameter kan worden bepaald door de grootte van de subpulse die wordt geproduceerd wanneer de cel de knoopporiën passeert voorafgaand aan het contractiekanaal (figuren 1B, C). Hier is |ΔInp|, de stroomdruppel wanneer de cel zich in de porie bevindt, evenredig met de volumeverhouding van de cel tot de porie, V-cel/V-porie 2,8,19. Celstijfheid kan worden bepaald door ΔTc, de duur van de dramatisch grotere subpulse die wordt geproduceerd wanneer de cel het contractiekanaal passeert (figuren 1B,C). Een stijvere cel zal er langer over doen om het kanaal te passeren dan een zachtere 2,8. Ten slotte kan celherstel, het vermogen van de cel om terug te keren naar zijn oorspronkelijke grootte en vorm na vervorming, worden bepaald door de reeks subpulsen die worden geproduceerd als de cel de knoopporiën passeert na het contractiekanaal (figuren 1B, C). De hersteltijd, ΔTr, is de tijd die nodig is voordat de huidige subpulsen terugkeren naar de grootte van de vorige subpulsen, voordat de cel wordt geperst. Over het algemeen worden de gemoduleerde stroompulsen die worden geproduceerd als een cel het microfluïdische kanaal passeert, geregistreerd en geanalyseerd om de relevante eencellige mechanische parameters te extraheren (figuur 1D) 2,8.
De reproduceerbaarheid en het gebruiksgemak van dit op elektronica gebaseerde microfluïdische platform zijn eerder aangetoond25. Bovendien biedt het platform een lage toetredingsdrempel voor eencellige mechanofenotypering. Standaard zachte lithografie wordt gebruikt om microfluïdische apparaten te fabriceren. De meethardware bestaat uit goedkope componenten, waaronder een eenvoudige printplaat (PCB), voeding, voorversterker, data-acquisitiebord (DAQ) en computer. Ten slotte is er gebruiksvriendelijke code beschikbaar voor data-acquisitie en -analyse, waardoor een eenvoudige implementatie mogelijk is. Deze mechanofenotyperingstechniek kan populaties van niet-kwaadaardige en kwaadaardige borst- en longepitheelcellijnen onderscheiden, onderscheid maken tussen sublijnen in primaire menselijke borstepitheelcellen en de effecten van cytoskeletale verstoringen en andere farmacologische middelen karakteriseren 2,8. Over het algemeen is dit platform een effectieve aanpak voor het mechanofenotyperen van afzonderlijke cellen.