Mechano-Node-Pore Sensing: een snel, labelvrij platform voor multi-parameter single-cell visco-elastische metingen
2 december 2022
Hier wordt een methode gepresenteerd om afzonderlijke cellen mechanisch te fenotyperen met behulp van een op elektronica gebaseerd microfluïdisch platform dat mechano-node-pore sensing (mechano-NPS) wordt genoemd. Dit platform handhaaft een gematigde doorvoer van 1-10 cellen / s terwijl het zowel de elastische als viskeuze biofysische eigenschappen van cellen meet.
We presenteren een op elektronica gebaseerd microfluïdisch platform voor mechanische fenotypering van afzonderlijke cellen. Concreet meten we enkelcellige elastische en viskeuze eigenschappen bij een doorvoer van maximaal 10 cellen per seconde. Onze methode vereist minimale monstervoorbereiding, maakt gebruik van een eenvoudige elektronische meting, vervangt dure optische hardware en complexe beeldanalyse en is niet-destructief, wat betekent dat onze aanpak compatibel is met downstream-analyses.
Mechano-NPS is toegepast op vele celtypen, waaronder primaire monsters, en heeft het effect van subcellulaire componenten op eencellige visco-elasticiteit gemeten. Het kan worden gebruikt voor het begrijpen van celgedrag, het bepalen van ziekteprogressie of het monitoren van de respons op geneesmiddelen. Verwijder om te beginnen de met plasma behandelde componenten uit de plasmakamer.
Pipetteer een twee-op-één oplossing van methanol en gedeïoniseerd water op het glazen substraat met geprefabriceerde elektroden. Plaats vervolgens de PDMS-mal met de functiezijde naar beneden op de bovenkant van het glazen substraat. Plaats het apparaat onder de stereoscoop om de uitlijning aan te passen.
Bak het uitgelijnde apparaat om de fabricage van het apparaat te voltooien. Bereid de drukbron, PCB, benchtop hardware en data-acquisitiesoftware voor. Lijn vervolgens de klemmenkoppennen uit met de gaten op de pcb en lijn de klemmen met de met de elektrode belaste pinnen uit met de elektrodecontactpads op het microfluïdische apparaat.
Steek vervolgens de klemmen in de PCB-gaten en zorg ervoor dat de veerbelaste pennen op één lijn blijven met de elektrodecontactpads. Stel de elektronische hardware in en sluit deze aan. Stel vervolgens de waarden in om de gegevensverzamelingssessie te initialiseren en stel de steekproeffrequentie voor acquisitie in.
Kweek en bereid de cellen voor volgens het juiste celkweekprotocol van de cellijn van keuze. Suspensie vervolgens de cellen in een bereide oplossing van 2% FBS en 1X PBS in een concentratie tussen 100.000 en 500.000 cellen per milliliter. Houd de cellen op ijs voor de duur van de experimenten.
Om cellen in het microfluïdische apparaat te laden, snijdt u 30 centimeter polytetrafluorethyleenbuis met een scheermesje. Gebruik een spuit om het celmonster in het uiteinde van de slang te laten vallen en sluit hetzelfde uiteinde aan op de inlaat van het apparaat. Sluit ten slotte het andere uiteinde van de buis aan op de microfluïdische drukregelaar.
Om het experiment uit te voeren, stelt u de gewenste constante rijdruk in op de drukregelaarsoftware en laat u het monster het apparaat vullen. Als er bubbels ontstaan in de microfluïdische kanalen, gebruik dan doodlopende vulling. Sluit het stopcontact van het apparaat aan en oefen een lage druk uit op de inlaat om lucht door het gasdoorlatende PDMS naar buiten te persen.
Stel vervolgens de gewenste spanning in door aan de spanningsknop op de voeding te draaien en schakel de spanning in door op de aan-knop te drukken. Zet de huidige voorversterker aan en stel de gevoeligheid zo laag mogelijk in. U kunt ook de versterking zo hoog mogelijk instellen zonder de voorversterker te overbelasten of de maximale analoge ingangsspanning van de DAQ te overschrijden.
Druk op de groene knop Uitvoeren in het lintmenu van MATLAB om het NPS-gegevensverzamelingsscript te starten. m, en begin met het bemonsteren en opslaan van de gegevens. Als u het experiment wilt beëindigen, drukt u op de knop Stoppen in de linkerbenedenhoek van het live plotvenster om het script voor gegevensverzameling te beëindigen.
Schakel vervolgens de uitgang van de voeding uit door op de aan-knop te drukken. Stel ten slotte de drukbron in op nuldruk in de software van de drukregelaar. Voor gegevensanalyse moet het ruwe signaal een voldoende signaal-ruisverhouding hebben om de ruis eruit te filteren en de significante componenten te extraheren.
Van cruciaal belang is dat de huidige signaalstijging van elk knooppunt robuust genoeg moet zijn, zodat subpulsen gemakkelijk kunnen worden geïdentificeerd aan de hand van het verschilsignaal. Kwaadaardige MCF-7-cellen hebben een grotere wCDI-verdeling dan niet-kwaadaardige MCF-10A-cellen, wat aangeeft dat de kwaadaardige MCF-7-cellen zachter zijn dan hun niet-maligne MCF-10A-tegenhangers. MCF-10A- en MCF-7-cellen behandeld met latrunculine vertonen een toename van wCDI.
Een duidelijke wCDI-verdeling die de twee primaire celtypen onderscheidt, geeft aan dat LEP-cellen zachter zijn dan MEP-cellen. Niet-maligne MCF-10A's en onbehandelde MCF-10A en MCF-7's hebben een groter aandeel cellen die onmiddellijk herstellen, wat wijst op een lagere viscositeit dan hun kwaadaardige of met latrunculine behandelde tegenhanger. Als de live huidige uitlezing abnormaal lijkt, stopt u uw experiment en inspecteert u het microfluïdische kanaal.
Zorg ervoor dat er geen luchtbellen en geen klompen zijn, zodat de cellen vrij van de inlaat naar de uitlaat stromen. Omdat onze methode cellen niet schaadt, kunnen downstream-analyses zoals RNA-seq of immunofluorescentie worden uitgevoerd. Dit kan helpen bij het blootleggen van enkele onderliggende redenen waarom cellen verschillende mechanische fenotypen hebben.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een methode voor het mechanisch fenotyperen van enkele cellen met behulp van een elektronica-gebaseerd microfluïdisch platform dat bekend staat als mechano-node-pore sensing (mechano-NPS). Het platform maakt de meting van zowel elastische als viskeuze eigenschappen van cellen mogelijk met een doorvoer van maximaal 10 cellen per seconde, waardoor minimale monstervoorbereiding en niet-destructieve analyse mogelijk is.
Belangrijke onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Celbiologie
- Microfluidica
Achtergrond
- Mechano-NPS is een innovatief platform voor het bestuderen van enkele celmechanica.
- De methode maakt de analyse van verschillende celtypen mogelijk, inclusief primaire monsters.
- Het biedt inzicht in de viskeuzelastische eigenschappen van cellen.
- De benadering is compatibel met downstream analyses, waardoor het nut ervan in onderzoek wordt vergroot.
Doel van het onderzoek
- Om een methode te ontwikkelen voor het mechanisch fenotyperen van enkele cellen.
- Om de elastische en viskeuze eigenschappen van cellen efficiënt te meten.
- Om begrip van celgedrag en ziekteprogressie te vergemakkelijken.
Gebruikte methoden
- Elektronica-gebaseerd microfluïdisch platform voor celanalyse.
- Meting van viskeuzelasticiteit van enkele cellen.
- Minimale monstervoorbereiding vereist.
- Niet-destructieve meting compatibel met verdere analyses.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle meting van elastische en viskeuze eigenschappen van verschillende celtypen.
- Aangetoonde toepassing van mechano-NPS in het bestuderen van subcellulaire componenten.
- Mogelijkheid voor het monitoren van medicijnresponsen en het begrijpen van ziektemechanismen.
Conclusies
- Mechano-NPS is een waardevol hulpmiddel voor het mechanisch fenotyperen van cellen.
- Het platform biedt een kosteneffectieve alternatief voor traditionele methoden.
- Het opent nieuwe wegen voor onderzoek in celmechanica en biofysica.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Mechano-node-pore sensing (mechano-NPS) enables rapid, label-free, multi-parameter viscoelastic profiling of single cells, addressing the need for higher-throughput, quantitative mechanical phenotyping in discovery-stage biopharma R&D. By providing both elastic and viscous measurements at moderate throughput with minimal sample preparation, this platform supports predictive confidence in target validation and mechanistic de-risking. Its compatibility with downstream analyses positions it as a reusable capability for portfolio-wide biological interrogation and risk-adjusted advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of cell mechanical phenotypes relevant to disease progression and drug response.
- Supports functional target validation by distinguishing cell states based on viscoelastic properties.
- Facilitates mechanistic de-risking by linking subcellular components to measurable biophysical outputs.
- Provides multi-parameter data to inform predictive confidence and triage in early discovery.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, label-free mechanical phenotyping assays for downstream compound screening.
- Delivers standardized, reproducible, and quantitative viscoelastic readouts for assay development.
- Enables moderate-throughput screening readiness without reliance on complex optical systems.
- Supports reliable evaluation of compound effects on cell mechanics.
Translational & Preclinical Research
- Aligns mechanical phenotyping with disease-relevant cellular states for translational biomarker exploration.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by enabling downstream molecular analyses.
- Provides risk-adjusted data for advancement decisions based on biophysical cell state changes.
- Offers predictive de-risking for mechanistic hypotheses in disease models.
Pipeline & Workflow Integration
Mechano-NPS integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking at the single-cell level.
- Discovery Biology: Quantifies viscoelastic properties to test mechanistic hypotheses and clarify disease pathways.
- Screening: Provides reproducible, quantitative outputs for compound evaluation and assay standardization.
- Analytics: Generates multi-parameter measurements (size, deformation, recovery) for robust statistical comparison.
- Translational Research: Supports biomarker alignment and downstream molecular profiling of phenotyped cells.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for repeated use across diverse cell types and programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable, and reproducible mechanical phenotyping with minimal sample prep.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by providing actionable biophysical data early.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement across multiple discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, electronics-based measurement, and data analysis.
- Needs access to standard soft lithography fabrication and electronic data acquisition infrastructure.
- Demands cross-team standardization for sample preparation and data interpretation.
- Adaptable to a range of cell types and compatible with downstream molecular analyses.
- Throughput is moderate (up to 10 cells/sec), balancing depth of measurement with screening needs.
