1. Hodowla i inkubacja sferoidów komórkowych
- Eksperyment 1: Sferoidy komórkowe inkubowane z lekiem chemioterapeutycznym
- Przygotować 1,5% agarozę w pożywce hodowlanej, dodając 0,45 g agarozy do 30 ml pożywki hodowlanej (ilość wystarczająca na 6 płytek).
- Podgrzać mieszaninę z kroku 1.1.1 do temperatury co najmniej 80 °C, mieszając ją od czasu do czasu.
- Nalać 50 µl podgrzanej mieszaniny z kroku 1.1.2 do każdego dołka płytki 96-dołkowej i pozostawić do zestalenia przez 1–2 h. Płytki przechowywać zamknięte i przykryte w lodówce w temperaturze 5 °C do momentu użycia.
- Wysiać około 150 komórek raka piersi MCF-7 do każdego dołka przygotowanej płytki 96-dołkowej w pożywce DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium) z pożywką Ham’s F-12 uzupełnioną o 10% płodowej surowicy cielęcej (FCS) oraz 1% penicyliny/streptomycyny.
- Hodować sferoidy przez 5–7 dni do osiągnięcia średnicy około 200–300 µm w inkubatorze przy 5% CO2 i 37 °C.
- Inkubować sferoidy komórkowe z antybiotykiem z grupy antracyklin – chlorowodorkiem doksorubicyny przez 6 h w stężeniu od 2 µM do 8 µM (w pożywce hodowlanej) w inkubatorze przy 5% CO2 i 37 °C.
- Przemyć sferoidy komórkowe pożywką hodowlaną lub zrównoważonym roztworem soli Earle'a (EBSS) przed badaniem mikroskopowym.
- Eksperyment 2: Proces utleniania w sferoidach eksponujących sensor redox
- Wysiać około 400 komórek glejaka U251-MG-L106 trwale transfekowanych glutationowo-czułym zielonym fluorescencyjnym sensorem redox Grx1-roGFP2 do dołków pokrytych żelem agarozowym (procedura opisana w krokach 1.1.1–1.1.3) płytki 96-dołkowej w pożywce DMEM uzupełnionej o 10% FCS, 1% penicyliny/streptomycyny oraz hygromycynę B (150 µg/ml).
- Hodować sferoidy przez 5–7 dni do osiągnięcia średnicy około 200–300 µm w inkubatorze przy 5% CO2 i 37 °C.
- Dodać 10 µl roztworu nadtlenku wodoru (purum p.a., ≥ 30%) do 990 µl wody bi-destylowanej, aby przygotować 100 mM roztwór stokowy do wykorzystania w ciągu 12 h.
- Rozcieńczyć roztwór stokowy z kroku 1.2.3 do stężenia 50 µM w EBSS bezpośrednio przed eksperymentem.
- Podczas pomiaru inkubować sferoidy komórkowe w systemie mikroprzepływowym z nadtlenkiem wodoru 50 µM w EBSS w celu utlenienia sensora redox.
- Eksperyment 3: Inicjacja i znakowanie nekrozy komórkowej w sferoidach
- Wysiać około 400 komórek (np. komórek glejaka U251-MG-L106-Grx1-roGFP2) do dołków pokrytych żelem agarozowym (procedura opisana w krokach 1.1.1–1.1.3) płytki 96-dołkowej w pożywce DMEM uzupełnionej o 10% FCS, 1% penicyliny/streptomycyny oraz hygromycynę B (150 mg/ml).
- Hodować sferoidy przez 5–7 dni do osiągnięcia średnicy około 200–300 µm w inkubatorze przy 5% CO2 i 37 °C.
- Inkubować sferoidy komórkowe z rotenonem, inhibitorem mitochondrialnego transportu elektronów, przez 3 h w stężeniu 1 µM w pożywce hodowlanej w celu indukowania nekrozy komórkowej. Dodatkowo przeprowadzić wspólną inkubację z zielonym barwnikiem cytotoksycznością przez 3 h w stężeniu 1 µl w 1 ml pożywki hodowlanej, aby oznakować komórki nekrotyczne.
- Przemyć sferoidy komórkowe pożywką hodowlaną lub EBSS przed badaniem mikroskopowym.
2. Regulacja płata światła
UWAGA: Aby uzyskać najlepsze wyniki, należy upewnić się, że przerwa wiązki arkusza światła znajduje się w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu. Położenie przerwy wiązki można ustawić wyłącznie poprzez obserwację arkusza światła w pozycji pionowej względem kapilary (patrz kroki 2.5 - 2.8).
- Używając mikroskopu odwróconego, zamocuj moduł wzbudzenia SPIM do płyty podstawowej stołu pozycjonującego, zgodnie z opisem w Ref. 16 (patrz Rycina 1A).
- Wyposaż mikroskop w obiektyw 10X/0,3 lub 20X/0,5 oraz odpowiedni filtr długoprzepustowy (np. λ ≥ 515 nm) w torze detekcji mikroskopu.
- Zamocuj kamerę integrującą do portu detekcji mikroskopu.
- Wykorzystaj równoległą wiązkę kolimowaną lasera lub diody laserowej z preferencyjną długością fali wzbudzenia 470 nm i wprowadź ją do modułu SPIM.
- Obróć soczewkę cylindryczną o 90 stopni, co ustawi arkusz światła w pozycji pionowej w celu osiowej regulacji przerzewienia wiązki arkusza światła.
- Umieść w uchwycie na próbki kapilarę zawierającą ciecz z barwnikiem fluorescencyjnym.
- Przymocuj uchwyt z kapilarą do stołu pozycjonującego mikroskopu i wyrównaj położenie kapilary tak, aby była wycentrowana, a przerzewienie wiązki arkusza światła znajdowało się w ognisku.
- Wyreguluj przerzewienie wiązki poprzez zmianę położenia osiowej soczewki cylindrycznej. Po zakończeniu regulacji przykręć soczewkę.
3. Aplikacja sferoidów komórkowych i synchronizacja podawania do mikroskopu
- Umieść sferoidy komórkowe pojedynczo lub w grupach w prostokątnych kapilarach z borokrztanu szkła16 o przekroju wewnętrznym 600 µm x 600 µm i grubości ścianki 120 µm. Skuteczne okazały się dwie techniki wprowadzania sferoidu komórkowego.
- Chwyć pustą kapilarę pionowo kciukiem i palcem środkowym, a górny otwór zatkaj palcem wskazującym. Zbliż dolny otwór do sferoidu komórkowego znajdującego się w otaczającym go płynie (EBSS lub pożywka hodowlana). Zabierz palec wskazujący z górnego otworu. Płyn wraz ze sferoidem komórkowym zostanie natychmiast zassany dzięki siłom kapilarnym. Dostosuj pozycję sferoidu w wypełnionej kapilarze, wykorzystując grawitację poprzez odpowiednie ustawienie kapilary w pozycji pionowej.
- Alternatywnie, wprowadź sferoid komórkowy do kapilary za pomocą pipetowania. Upewnij się, że otwór końcówki pipety jest z jednej strony wystarczająco duży dla rozmiaru sferoidu, a z drugiej strony mniejszy lub równy średnicy wewnętrznej kapilary.
- Umieść kapilarę ze sferoidem w specjalnym uchwycie do próbek do mikroskopii.
- Zamocuj uchwyt z kapilarą na stole pozycjonującym mikroskopu i ustaw pozycję sferoidu komórkowego tak, aby był on wycentrowany i w ostrości.
- Dostosuj dopasowanie między arkuszem światła (light sheet) a płaszczyzną ogniskową obiektywu mikroskopu w torze detekcji, regulując pozycję lustra odbijającego i soczewki cylindrycznej (patrz: śruba regulacyjna na Rysunku 1B).
- Wyreguluj śrubę mikrometryczną (patrz: Rysunek 1B) zgodnie z indeksami refrakcji i aperturą numeryczną obiektywu, aby skompensować efekt akwarium (fishtank effect).
UWAGA: Różne indeksy refrakcji próbki i mediów otaczających obiektyw prowadzą do różnicy między przesunięciem obiektywu a przesunięciem płaszczyzny ogniskowej. Ponieważ arkusz światła jest przemieszczany przez rewolwer obiektywów, niedopasowanie między przesunięciem arkusza światła (odpowiadające przesunięciu obiektywu) a przesunięciem płaszczyzny ogniskowej jest kompensowane za pomocą ramienia dźwigni (patrz: Rysunek 1B). Śruba mikrometryczna służy do adaptacji odległości między górnym a dolnym pinem w celu dostosowania przesunięcia arkusza światła zgodnie z aperturą numeryczną obiektywu i indeksami refrakcji.

Rycina 1. (A) Zdjęcie modułu oświetlenia pojedynczej płaszczyzny zamontowanego na płycie podstawy stołu pozycjonującego mikroskopu odwróconego, (B) układ modułu oświetlenia pojedynczej płaszczyzny oraz synchronizacja zasilania mikroskopu w celu skompensowania niedopasowania wysokości (efekt akwarium) między płaszczyzną ogniskową a płaszczyzną oświetlenia. Δzo oznacza przesunięcie obiektywu, a Δzf przesunięcie płaszczyzny ogniskowej i arkusza światła. Wstawka przedstawia przekroje kapilar zawierających sferoidy. Lewo: kapilara prostokątna o średnicy wewnętrznej 600 µm (ścianka 120 µm). Prawo: Układ używany do rotacji. Wewnętrzna kapilara okrągła (średnica wewnętrzna 400 µm, średnica zewnętrzna 550 µm) jest obracana wewnątrz zewnętrznej kapilary prostokątnej. Przestrzeń między dwiema kapilarami jest wypełniona cieczą imersyjną.
4. Pomiar w dynamicznym środowisku ciekłym
UWAGA: Poprzedni protokół jest stosowany do inkubacji statycznej przed pomiarem, w którym sferoid komórkowy był wcześniej inkubowany, a następnie został utrzymany w kapilarze dzięki zwykłej grawitacji. Dalsza fiksacja nie jest konieczna. Jednak w przypadku pomiarów w płynących mediach, gdzie pożądana jest inkubacja dynamiczna, a co za tym idzie – środowisko dynamiczne w celu pomiaru kinetyki poboru, można przeprowadzić ten podprotokół. Kroki 4.5–4.9 są krytyczne, aby uniknąć przedostania się pęcherzyków powietrza do próbki.
- Napełnij kapilarę FCS na 30 min, aby wspomóc późniejszą adhezję sferoidu komórkowego do wewnętrznej szklanej powierzchni.
- Pozostaw pozostałą powłokę z FCS w opróżnionej kapilarze do wyschnięcia przez co najmniej 12 hr.
- Wprowadź sferoid komórkowy do kapilary powleczonej FCS, zgodnie z opisem w kroku 3.2.
- Pozostaw kapilarę w inkubatorze w atmosferze 5% CO2 i temperaturze 37 °C przez dodatkowe 2–4 hr, aby umożliwić adhezję sferoidu.
- Przygotuj część dopływową systemu mikroprzepływowego (patrz Rysunek 2). Użyj pompy perystaltycznej, aby napełnić przewód dopływowy (średnica wewnętrzna: 0.89 mm) pożywką hodowlaną zawierającą barwnik fluorescencyjny, lek lub czynnik.
- Podłącz część dopływową systemu mikroprzepływowego do pułapki na pęcherzyki powietrza (patrz Rysunek 2).
- Najpierw zamocuj kapilarę bez pęcherzyków powietrza do przewodu dopływowego, a następnie zamocuj drugą stronę kapilary do przewodu odpływowego.
- Ustaw temperaturę cieczy w kąpieli wodnej na pożądaną wartość (np. 37 °C).
- Ustaw pompę perystaltyczną na pożądaną prędkość pompowania (np. szybkość przepływu: 9 µl/min; prędkość przepływu w kapilarze: 25 mm/min).
- Zbieraj pompowaną ciecz do naczynia odbiorczego (układ otwarty), zawracaj ją do źródła (układ zamknięty) lub podawaj bezpośrednio do przewodu pompy perystaltycznej (szczelny układ zamknięty).

Rysunek 2. Układ mikrofluidyczny (otwarty i szczelnie zamknięty obieg); wstawka: Oświetlenie sferoidu w mikrokapilarze przy użyciu mikroskopii fluorescencyjnej opartej na arkuszu światła połączonej z mikroskopem odwróconym.
5. Pozyskiwanie i analiza danych
- Ustaw moc lasera i czas integracji dla akwizycji obrazu.
- Należy dopilnować, aby parametry określone w kroku 5.1 nie przekraczały wartości dawki światła wynoszącej około 50–100 J/cm2 dla komórek natywnych lub 10–20 J/cm2 dla komórek inkubowanych z barwnikiem fluorescencyjnym lub transfektowanych plazmidem kodującym białko fluorescencyjne, aby uniknąć fototoksyczności (szczegóły w Ref. 12).
- Ustaw przyrost dla stosu z na wartość ∆z = 5–10 µm, co jest preferowane w przypadku trójwymiarowej analizy danych, ponieważ grubość arkusza światła wynosi około 10 µm.
- Wykonaj pomiary pojedynczych obrazów lub stosów z poprzez zmianę płaszczyzny ogniskowej w obrębie sferoidu komórkowego.