Opisany protokół szybkiego subtraktywnego wzorowania monowarstw komórkowych został zademonstrowany z wykorzystaniem wieloskładnikowej platformy MFP (Rycina 1 i 2). Protokół wykorzystuje hierarchiczne ograniczanie przepływu hydrodynamicznego (hHFC; Rycina 3) do lokalnego traktowania i usuwania komórek z monowarstw komórkowych, stosując NaOH jako ciecz procesową. Konfiguracja hHFC składa się z wewnętrznego HFC i zewnętrznego HFC. Ograniczony przepływ NaOH w wewnętrznym hHFC wywołuje działanie chemiczne oraz siły ścinania na kontaktujących się komórkach. W obrębie tego obszaru komórki są jednorodnie narażone na działanie chemiczne NaOH dzięki konwekcyjnemu transportowi masy wewnątrz obszaru i pomijalnej dyfuzji do regionu poza ograniczeniem. Z kolei siły ścinania oddziałujące na komórki można zmieniać poprzez modyfikację szybkości przepływu NaOH. Aby uprościć parametry operacyjne, zdecydowano, że mechanizm usuwania komórek będzie zdominowany przez działanie chemiczne w porównaniu z siłami ścinania. W celu oszacowania siły ścinania przyłożonej przez hHFC do powierzchni, zbudowano model elementów skończonych przy użyciu Comsol Multiphysics 5.0. Symulacje przeprowadzono z wykorzystaniem modułu CFD dla przepływów laminarnych. Dla zakresu szybkości przepływu i wymiarów otworów zastosowanych w obecnej demonstracji wprowadzono dwa warunki brzegowe wlotowe dla otworów wtryskowych geometrii oraz dwa warunki brzegowe wylotowe dla otworów ssących (Rycina 5). W uzyskanym modelu reguły przepływu dyktowały profil ścinania, natomiast szybkości przepływu definiowały wielkość ścinania na powierzchni. W praktyce kombinacja obu tych czynników determinuje, czy hHFC styka się z powierzchnią. Mając na uwadze te czynniki, wyznaczono zakres szybkości przepływu dla pracy urządzenia w celu uzyskania chemicznie zdominowanego usuwania komórek. Aby stworzyć hHFC, zastosowano regułę przepływu polegającą na utrzymaniu stosunku całkowitego przepływu ssania do przepływu wtryskowego na poziomie 3,5. Pozostałe reguły przepływu zdefiniowano tak, aby zminimalizować zapychanie kanałów ssących, które może być spowodowane przywieraniem zdenaturowanych białek do powierzchni kanałów. Korzystając z opracowanego modelu, ustalono, że szybkości przepływu od 5 do 10 µl/min przekładają się na naprężenie ścinające między 1 a 3 N/m2. Bez efektu chemicznego NaOH, na przykład w przypadku buforu do ekstrakcji, naprężenie ścinające nie byłoby wystarczająco wysokie, aby usunąć komórki19. W obserwowanym zakresie zauważono, że praca przy wyższych szybkościach przepływu jest bardziej praktyczna ze względu na perturbacje w ścieżce przepływu przy niskich szybkościach przepływu ssania (tj. QI2 < 4 µl/min) spowodowane obecnością szczątków komórkowych w kanałach.
Biorąc pod uwagę zbadany profil ścinania oraz kwestie praktyczne, w eksperymentach nad wzorcowaniem zastosowano przepływy NaOH (QI2) wynoszące 6 i 8 µl/min oraz wartości QI1, QA1 i QA2 zgodnie z zasadami przepływu przedstawionymi na Rysunku 3. Stosunek przepływów wtryskiwania (QI2/QI1) pozwala na dalszą modulację rozmiaru obszaru hHFC (Rysunek 3D i Rysunek 4B), zgodnie z zasadą opisaną przez Auteberta et al.14. Wykorzystując zdolność hHFC do kształtowania cieczy w połączeniu z możliwością skanowania o wysokiej rozdzielczości platformy MFP, demonstrujemy generowanie siatek żywych komórek w wielu skalach, a ponadto pokazujemy zastosowanie opisanego protokołu w tworzeniu kokultur (Rysunek 4C).
Platforma ta pozwala również na odzysk lizatu z próbek do dalszych analiz. Aby wykazać jakość uzyskanego lizatu, pobrano próbki lokalnie lizowanych komórek z jednego oraz pięciu odcisków w dwóch niezależnych eksperymentach, co wykazało zmienność ilości DNA uzyskanego z lizatu (Rysunek 7). W tym celu przeprowadzono amplifikację DNA zawartego w lizacie przy użyciu starterów do β-aktyny (forward: GGATGCAGAAGGAGATCACT oraz reverse: CGATCCACACGGAGTACTTG), wykorzystując 4 µl zneutralizowanego lizatu w każdej reakcji PCR.

Rycina 1. Moduły platformy MFP oraz głowicy. (AModuły operacyjne platformy obejmują zmotoryzowane strzykawki, zmotoryzowane stoliki oraz sterownik. MFP jest połączony ze zmotoryzowanym stolikiem w osi Z w celu kontrolowania odległości przerwy między głowicą a podłożem, a uchwyt podłoża jest przymocowany do zmotoryzowanych stolików w osiach X i Y, które tworzą system skanowania.BGłowica MFP posiada kanały przepływowe łączące ją ze stacją pompową, otwory montażowe umożliwiające zamocowanie głowicy na stole Z oraz kanały wyprowadzające ciecz przez polerowany wierzchołek. Wierzchołek ustawia się w jednej płaszczyźnie z podłożem hodowli komórkowej. Symetryczne pierścienie Newtona są widoczne, gdy wierzchołek i podłoże znajdują się w jednej płaszczyźnie i stykają się ze sobą. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Rysunek 2. platforma MFP. Platforma skanowania o wysokiej rozdzielczości jest wyposażona w obrobioną mechanicznie głowicę uchwytu zintegrowaną z wysokoprecyzyjną zmotoryzowaną osią Z. Uchwyt podłoża jest połączony ze stołem X-Y w celu przeprowadzenia skanowania. W celu odzyskania lizatu do dalszych analiz, do bocznej części uchwytu podłoża magnetycznie przymocowano wydrukowaną w technologii 3D stację próbkowania (pokazano na wstawce). Wokół platformy znajdują się pompy strzykawkowe, mikroskop odwrócony, kontrolery oraz wyświetlacze. Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Rycina 3. Hierarchiczne ograniczenie przepływu hydrodynamicznego (hHFC) w celu przestrzennej i czasowej kontroli usuwania komórek. (A) Schemat pojedynczego HFC. (B) Zagnieżdżone i (C) tryb ściśnięcia (pinched mode) pracy hHFC. (D) Obraz odcisku dla dwóch różnych stosunków przepływu wstrzykiwania/aspiracji. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Rysunek 4. Wzory monowarstw komórkowych z wykorzystaniem MFP. (A) Generowanie siatki komórkowej poprzez programowane skanowanie MFP na monowarstwie komórek MDA-MB-231. Komórki zabarwiono zielonym barwnikiem CellTracker. (B) Odcisk dla różnych stosunków wtrysku (n) na monowarstwie komórek MCF7. Schemat przedstawia oczekiwaną zmianę kształtu wewnętrznego HFC w zależności od zmiany n. (C) Wzorcowa ko-kultura uzyskana poprzez subtrakcyjne wzorowanie monowarstwy komórek MCF7, a następnie wysianie komórek MDA-MB-231 w obszarach usuniętych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Rysunek 5. Naprężenie ścinające na powierzchni podczas stosowania hHFC. Naprężenie ścinające na powierzchni wzrasta liniowo wraz z prędkością przepływu wtrysku wewnętrznego. Punkt o najwyższym ścinaniu znajduje się pomiędzy dwoma wewnętrznymi otworami (inset w prawym dolnym rogu), gdzie ciecz procesowa jest ograniczona (czerwone linie przepływu, inset w lewym górnym rogu). Wymiary otworów zastosowane w modelu elementów skończonych wynoszą 20, 10, 10 i 200 µm odpowiednio dla i1, i2, a1 i a2. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Rysunek 6. Tryby pracy platformy MFP służące do usuwania i wzorowania komórek. (A) Schemat ścieżki przepływu dla wzorowania subtrakcyjnego poprzez lizę komórek. Dla uproszczenia przedstawiono tylko jedną z każdej ścieżki przepływu wtrysku i aspiracji. Strzykawki są napełniane za pomocą zaworu spustowego w pompach. i1 i2 służą odpowiednio do wtryskiwania buforu ekstrakcyjnego oraz NaOH. (B) Schemat ścieżki przepływu dla odzyskiwania lizatu. Ścieżka przepływu ta jest aktywowana po pobraniu lizatu komórkowego do analizy z wykorzystaniem ścieżki przepływu przedstawionej w (A). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 7. Analiza końcowa DNA z lizatu komórkowego przy użyciu qPCR. (A) Wykresy amplifikacji DNA w lizacie wyekstrahowanym z 5 śladów (5 fp) oraz 1 śladu (1 fp). W obu przypadkach kontrole wyekstrahowano po pobraniu lizatu. (B) Krzywe topnienia DNA amplifikowanego z lizatu, wykazujące jakość wyekstrahowanego DNA. Przeprowadzono qPCR (N = 2, n = 3) w celu amplifikacji genu β-aktyny. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina S1. Skalowany obraz projektu kanałów dla 6-kanałowej głowicy MFP wykorzystanej w eksperymentach z wzorcowaniem. Kanały wykonujące hHFC to 200, 10, 10, 200 µm szerokie i 100 µm głębokie. Dwa zewnętrzne kanały, które uzupełniają ciecz immersyjną, są 500 µm szeroki i 100 µm głęboki. Plik GDS dla tego samego projektu został dołączony jako materiał uzupełniający do niniejszego artykułu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej figury.