Celem tej metody jest określenie zmienności obfitości docelowego białka w populacji komórek z rozdzielczością pojedynczej komórki. Analiza pojedynczych komórek zapewnia szereg korzyści, które nie są dostępne w przypadku tradycyjnych metod biochemicznych opartych na zespołach. 1,2,3,4,5 Po pierwsze, praca na poziomie pojedynczej komórki może uchwycić bogatą heterogeniczność populacji komórek, która w przeciwnym razie zostałaby utracona przez uśrednianie, które ma miejsce przy użyciu tradycyjnych technik biochemicznych. Większość metod biochemicznych typu "koń roboczy" działa z masą, wymagając, jak to często bywa, milionów komórek do wytworzenia wyniku. Oczywiście, konsekwencje oceny całych populacji komórek zależą od wielu czynników, na przykład niejednorodności ekspresji białek, gdzie niektóre ważne cechy rozkładu obfitości białek mogą zostać pominięte. Z praktycznego punktu widzenia czułość wymagana od technik jednokomórkowych sprawia, że są one zdolne do pracy z ilością materiału biologicznego, która jest niewystarczająca do działania nawet bardziej czułych technik masowych. Kluczowym tego przykładem jest badanie rzadkich typów komórek, takich jak krążące komórki nowotworowe (CTC), gdzie nawet u pacjentów ze złymi rokowaniami może być mniej niż 10 CTC w jednym pobraniu krwi o objętości 7,5 ml. 6 Tutaj prezentujemy metodologię wymaganą do wykonania pomiarów białek jednokomórkowych za pomocą testu opartego na przeciwciałach o zmniejszonej objętości, wykorzystującego kropelki pokryte olejem wydrukowane na mikromatrycy przeciwciał.
Platformy kropelkowe mikroprzepływowe są o wysokiej przepustowości, są w stanie generować tysiące kropel na sekundę i są zdolne do izolowania, a nawet hodowli, pojedynczych komórek w pojedynczych kropelkach w celu przeprowadzenia szerokiej gamy testów biochemicznych. Techniki oparte na kropelkach dobrze nadają się do analizy pojedynczych komórek,7,8,9 z godnymi uwagi niedawnymi przykładami, takimi jak DropSeq10 i inDrop11, które zostały znacznie wspomagane przez moc technik amplifikacji. Ograniczona ilość materiału i brak metod amplifikacji białek sprawiają, że proteomika pojedynczych komórek jest szczególnie trudna.
Kropelki mogą być analizowane wieloma metodami, a mikroskopia fluorescencyjna jest szeroko stosowana. Techniki jednocząsteczkowe, takie jak mikroskopia fluorescencji całkowitego wewnętrznego odbicia (TIRF), umożliwiają wizualizację cząsteczek fluorescencyjnych z niezrównanym stosunkiem sygnału do szumu. 12 Ze względu na wykładniczy rozpad pola ulotnego, tylko fluorofory znajdujące się w dużej odległości od powierzchni (rzędu 100nm) są wzbudzane, co sprawia, że TIRF jest dobrą strategią w wykrywaniu małych ilości cząsteczki docelowej w złożonej mieszaninie. Naturalna wytrzymałość przekroju optycznego TIRF pomaga również uniknąć etapów mycia oraz ogranicza czas i złożoność testu. Jednak TIRF wymaga płaskich powierzchni, a przykłady mikroskopii TIRF zastosowanej do kropel w przepływie obejmują tworzenie płaskiej powierzchni, którą należy zobrazować. 13 W tym celu, techniki proteomiczne pojedynczych komórek często projektują mikroprzepływowe chipy wokół unieruchomionych powierzchniowo agentów wychwytujących w formacie mikromacierzy. 4,14
Kropelki same w sobie mogą być formowane w tablice na płaskich powierzchniach, tak zwane mikrotablice kropelkowe. 15,16,17 Przestrzenne organizowanie kropel w tablice pozwala na ich wygodne indeksowanie, łatwe monitorowanie w czasie, indywidualne adresowanie i, w razie potrzeby, pobieranie. Mikromacierze kropelkowe mogą osiągnąć wysoką gęstość mikroreaktorów z tysiącami elementów na chip, które są albo wolnostojące, albo wsparte na strukturach mikrostudzienkowych. 18,19,20 Mogą być tworzone przez sekwencyjne osadzanie przez roboty obsługujące ciecze, skanery atramentowe, mikromacierze kontaktowe21,22,23,24,25,26 Mogą też samoorganizować się na powierzchniach, takich jak superhydrofilowe plamy wzorowane na powierzchni superhydrofobowej. 27,28,29
Mając na uwadze te rozważania, zaprojektowano Adresowalne Mikromacierze Kropelkowe (ADM), aby połączyć wszechstronność, adresowalność przestrzenną i zmniejszone objętości mikromacierzy kropel z czułością mikroskopii TIRF pojedynczej cząsteczki do ilościowego pomiaru obfitości białek. 5 ADM-ów umożliwia analizę pojedynczych komórek, tworząc mikromatrycę kropelkową zawierającą pojedyncze komórki nad mikromatrycą przeciwciał, która jest następnie pokrywana olejem, aby zapobiec parowaniu. Objętości kropel są dyskretne, aby zapobiec utracie próbki, która w przeciwnym razie zostałaby osiągnięta przez zawory wbudowane w mikroprzepływy w przepływie ciągłym. 30 Bezwzględna ilość docelowego białka z pojedynczej komórki jest bardzo mała; Jednak zmniejszona objętość kropelek pozwala na stosunkowo wysokie stężenie miejscowe, aby można je było wykryć za pomocą testu przeciwciał typu sandwich - przeciwciało jest unieruchomione w odrębnym regionie lub miejscu na powierzchni, która wychwytuje białko, które z kolei wiąże się z fluorescencyjnie znakowanym przeciwciałem detekcyjnym obecnym w objętości kropli. Jako podejście bezznacznikowe (tj. cele białkowe nie muszą być znakowane bezpośrednio), ADM są ogólnie stosowane do analizy komórek ze źródeł pierwotnych, takich jak przetworzona krew, aspiraty drobnoziarniste i zdysocjowane biopsje guza, a także komórki z hodowli i ich lizaty.
Pomiar zmienności obfitości białek w populacji komórek jest ważny w określaniu niejednorodności w odpowiedzi, na przykład, na lek i pomoże w dostarczeniu wglądu w funkcje i szlaki komórkowe, ocenie subpopulacji i ich zachowania, a także w identyfikacji rzadkich zdarzeń, które w przeciwnym razie zostałyby zamaskowane metodami masowymi. Protokół ten opisuje, w jaki sposób wytwarzać i wykorzystywać adresowalne mikromacierze kropelkowe do ilościowego określania obfitości czynnika transkrypcyjnego p53 w ludzkich komórkach nowotworowych i może być wykorzystany do zbadania roli p53 w odpowiedzi na leki chemioterapeutyczne. Białko docelowe jest określane przez wybór przeciwciał wychwytujących i wykrywających i może być modyfikowane tak, aby zawierało więcej lub różne cele. Podano instrukcję, jak zbudować proste urządzenie zawierające koncentryczną dyszę z ogólnych materiałów eksploatacyjnych laboratoryjnych do ręcznego układania kropelek o pojemności 10 nl zakrytych olejem. Opisano pełny proces eksperymentalny, w którym każda kropla jest następnie ładowana pojedynczą komórką, która jest następnie poddawana lizie, a ekspresja białka określana z rozdzielczością pojedynczej cząsteczki za pomocą mikroskopii TIRF.