Neste artigo apresentamos um chip microfluídico para análise única célula. Ele permite a quantificação de proteínas intracelulares, enzimas, co-factores, e os segundos mensageiros, por meio de ensaios fluorescentes ou imunoensaios.
Artigo de método
Neste artigo apresentamos um chip microfluídico para análise única célula. Ele permite a quantificação de proteínas intracelulares, enzimas, co-factores, e os segundos mensageiros, por meio de ensaios fluorescentes ou imunoensaios.
Apresenta-se um dispositivo de microfluidos, que permite a determinação quantitativa de biomoléculas intracelulares em várias células individuais em paralelo. Para este efeito, as células são passivamente preso no meio de uma microcâmara. Após a activação da camada de controlo, a célula é isolado a partir do volume em torno de uma pequena câmara. O volume circundante podem ser trocados sem afetar a célula isolada. No entanto, aquando da abertura e fecho curto da câmara, a solução na câmara pode ser substituído dentro de algumas centenas de milisegundos. Devido à reversibilidade das câmaras, as células podem ser expostas a soluções diferentes sequencialmente, de uma forma altamente controlável, por exemplo por incubação, lavagem, e finalmente, a lise celular. Microchambers hermeticamente seladas permitir a retenção do ligado, minimizar e controlar a diluição após a lise celular. Uma vez que a lise e análise ocorrer no mesmo local, de alta sensibilidade é mantida porque não mais dilution ou perda dos analitos ocorre durante o transporte. Por isso, o projeto MicroChamber permite a análise confiável e reprodutível de números muito pequenos de cópia de moléculas intracelulares (atomoles, zeptomoles) liberadas a partir de células individuais. Além disso, muitos microchambers podem ser dispostos num formato de matriz, permitindo a análise de muitas células de uma só vez, uma vez que os instrumentos ópticos adequados são usadas para a monitorização. Nós já usou a plataforma para estudos de prova de conceito para analisar proteínas intracelulares, enzimas, cofatores e segundos mensageiros em forma quantificável relativo ou absoluto.
Muitos estudos no passado revelaram diferenças célula-a-célula dentro de uma população de células grandes 1-3, em particular os processos de sinalização 4, ou as quantidades de biomoléculas intracelulares, tais como proteínas, metabolitos 5,6, 7,8 e cofactores. Estas heterogeneidades são considerados fundamentalmente importante para a adaptação e evolução de 9 células, mas também desempenham um papel chave na emergência e tratamento de doenças como o cancro 10-13. Portanto, os estudos sobre o nível de uma única célula são de grande interesse na pesquisa biológica e farmacológica, principalmente se esses estudos revelam as diferentes respostas de células após o tratamento com substâncias químicas bioativas.
Nos últimos anos, muitas plataformas de análise foram desenvolvidos para facilitar a análise de células vivas individuais ou a composição química do conteúdo da célula. Embora células fluorescentes ativadas (FACS) é o ouro ruaandard para análise muito maior taxa de transferência de células vivas individuais, o método não pode ser utilizado para a quantificação de compostos intracelulares ou segregadas. O surgimento de plataformas microfluídicos prometeu novas estratégias analíticas de posicionamento, tratamento e observação de células individuais. Um marco na microfluídica foi alcançado com a integração das válvulas PDMS flexíveis realizados por Quake e colegas de trabalho 14,15. Estas válvulas são úteis, pois podem isolar regiões no chip, por exemplo, separar duas culturas 16. Além disso, são especialmente aplicável para a análise de uma única célula e, portanto, ajudar a reduzir os problemas de diluição de analitos. O poder desta abordagem para a análise de uma única célula foi recentemente demonstrado por Hansen e colegas de trabalho, que analisou a expressão gênica de centenas de células individuais em paralelo 17.
Ao alvejar proteínas e metabolitos, a análise é muito difícil devido à falta de uma adequadamétodos mplification, o grande número de compostos diferentes presentes, e suas variações de natureza química. Além disso, a maioria das biomoléculas intracelulares espera-se estar presente em número de cópias baixo, na ordem de algumas dezenas de milhar de 18, portanto, o método analítico utilizado deve possuir uma sensibilidade elevada. Os ensaios mais potentes, tais como imunoensaios e ensaios imunológicos ligados a enzimas (ELISA), são difíceis de integrar em dispositivos de microfluidos, uma vez que requerem vários passos de lavagem e de incubação, assim como a imobilização de superfície.
Devido a estes desafios, não é surpreendente que apenas alguns exemplos em que foram reportados foram quantificadas proteínas ou metabolitos no nível de uma única célula. Por exemplo, estudos sobre a secreção de compostos fluorescentes têm sido relatados 19,20. Recentemente, a aplicação de ELISA, foi apresentado para a análise de secretadas (não fluorescentes) proteínas de uma cultura de células (células THP-1) 21 e único (immune) células 10. Segmentação de proteínas intracelulares, Shi et al. Desenvolvido um dispositivo de microfluidos, que facilitou a identificação de proteínas intracelulares para a análise das vias de sinalização nas células tumorais por meio de um imunoensaio 11. No entanto, apenas as quantidades relativas de proteínas foram determinadas e sem amplificação enzimática foi utilizada para aumentar o sinal para as proteínas de baixa abundância.
Recentemente, fomos capazes de combinar uma microdispositivo trapping de uma única célula com ensaios de fluorescência 8 e imunoensaios 22 (Figura 1). As células são passivamente preso em estruturas obstáculo micronizada, o que permite a oferta ea (rápida) troca de médio e outros agentes químicos, sem qualquer movimento das células. Uma válvula em forma de anel em torno de cada armadilha permite o isolamento da célula em um volume muito pequeno ("microcâmara"). Esta válvula é acionada imediatamente após a introdução de um tampão de lise celular (hypoosmolar), eledno impedindo moléculas intracelulares ou moléculas secretadas para difundir para longe. Mais importante, devido ao pequeno tamanho do volume (625 pl) grande diluição das moléculas é evitado. Além disso, uma vez que a lise e de análise são realizadas no na mesma posição no chip, não há qualquer perda de substância a analisar devido ao transporte. O design de chips aqui descrito compreende 8 linhas alternadas de ambos os 7 ou 8 microchambers, totalizando 60 microchambers. As câmaras são acionados em linhas, de modo que a contaminação cruzada ao longo de uma linha está impedida.
A plataforma pode ser utilizada em combinação com ensaios de fluorescência, bem como ensaios imunológicos (Figura 1d). Para este último, que estabeleceu protocolos para a imobilização dos anticorpos, que são compatíveis com a produção de chips e processo de montagem. Daí a plataforma abre o caminho para ensaios sensíveis, confiáveis e quantificáveis ao nível de célula única. Até agora, temos usado o dispositivo para a análise de ienzimas ntracellular e secretadas (quantificação relativa por ensaios enzimáticos), co-fatores intracelulares, proteínas e pequenas moléculas (quantificação absoluta por ensaios de ponto de extremidade ou ELISA). No que se segue, descreve-se o processo de fabricação de chips por meio de litografia suave multicamadas e os protocolos para a modelação dos anticorpos por meio de impressão microcontact e química de superfície. Além disso, alguns exemplos de utilização e as operações de chip são dadas.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
1. SU-8 Fabricação mestre
Prepare dois moldes mestres para os canais (fluídicos e controle, para esquemas e dimensões veja a Figura 2) com o seguinte protocolo, mas com diferentes padrões de máscara. O processo é mostrado na Figura 3a.
2. Fabricação Mestre para impressão microcontact
3. Fabricação do chip microfluídico
A concepção do dispositivo de duas camadas é utilizada para estas experiências. As duas camadas são preparadas separadamente e são ligados em conjunto, antes de o chip é finalmente ligado sobre uma lâmina de vidro (Figura 3b). Este passo descreve a produção de camadas de PDMS e o selo PDMS para impressão microcontacto.
4. Colagem de lâmina de vidro
Para usar o dispositivo para ensaios enzimáticos directos, a única etapa necessária após a ligação é o bloqueio das superfícies. Para este protocolo, proceder à A. No entanto, para usar o chip de microfluídica para imunoensaios ou ELISA, consulte o protocolo B para restringir os locais obrigatórios apenas para a lâmina de vidro (ou seja, para a microscopia TIRF ou SPR). Se essa restrição não é importante, referem-se a A, mas use conjugados biotinilados no passo 4.3 e continue com o passo 4.8no protocolo B para criar uma superfície totalmente funcional.
Antes de realizar o protocolo A e B: É aconselhável filtrar todas as soluções de proteína utilizadas antes de os introduzir no chip. Detritos e agregados de proteína podem de outra forma bloquear armadilhas de células, reduzindo desse modo o número de câmaras, que podem ser utilizados para a análise. Para esta finalidade, utilizam uma unidade de filtro de absorção não proteico para filtrar todas as soluções antes de introduzi-las no interior dos canais.
Um protocolo (ELISA)
Protocolo B (imunoensaios)
Para uma visão completa da modificação da superfície do passo 4.7 em diante, por favor, consulte a Tabela 1.
5. Experimentos com células
O protocolo é escrito em termos gerais, por causa da variedade de possíveis ensaios. Como um exemplo, os reagentes necessários para o ensaio de toxicidade de G6PDH são dadas. A célula prendendo eficiência inicial do aparelho é de cerca de 2,5%, ou seja, 5 de 200 células será preso. A ocupação final das armadilhas de células depende fortemente da linha celular utilizada, o protocolo para suspendera linha de células e o tempo que as células são lavadas por meio do canal. Para as células que crescem naturalmente em suspensão (por exemplo, U937), células isoladas pode ser encontrada em cerca de 75% das câmaras após alguns minutos. As outras câmaras ou não são preenchidas, ou ocupados por duas ou mais células. Em geral, a ocupação de uma única célula é menor para as linhas de células aderentes. Quando se utiliza o protocolo de suspensão bastante leve aqui apresentado, a percentagem diminui para cerca de 30% (HEK, células MLT). A ocupação de uma única célula pode ser melhorada por tratamento com tripsina das células, mas esta pode também alterar os resultados das experiências.
Dependendo da molécula alvo, a adsorção ou a absorção de PDMS pode influenciar os resultados. Adsorção pode ser reduzida através do bloqueio das superfícies com a BSA ou PLL-g-PEG. A absorção é improvável para a maioria das biomoléculas hidrofílicas, mas deve ser verificado para os componentes celulares lipofílicos (pequenas).
Um protocolo (ELISA)
Nota: Escolha qualquer tampão, que é adequado para o ensaio, no entanto ter em mente que os detergentes fortes (como Triton, SDS) lise das celulas imediatamente e vai levar a uma perda de analito durante a abertura da câmara.
Protocolo B (imunoensaios)
Para uma breve descrição das experiências de ELISA de células (taxas de fluxo, status de câmara, etc), por favor, consulte a Tabela 1.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Nossa plataforma é capaz de analisar uma variedade de intracelular, bem como moléculas segregadas presentes em ou produzidos por células individuais. Aqui, nós gostaríamos de apresentar diferentes estudos exemplo para sublinhar a variedade de possíveis ensaios. Vamos dar um exemplo, para uma enzima secretada (Figura 5a), bem como uma enzima intracelular (Figura 5b) e de proteína (Figuras 5c e d). Para mais exemplos, como cofatores ou pequenas moléculas,...
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Tecnologia microfluídica abriu novas e fascinantes possibilidades de análise de uma única célula. Em particular, a possibilidade de capturar e imobilizar células individualmente por ferramentas microfluídicos tem permitido estudos sistemáticos de curto e longo prazo sobre as propriedades de uma única célula e resposta. Além disso, a encapsulação de células em microgotículas de alta frequência, gerados por um circuito integrado, permitiu estudos de secreção de células individuais, que não podem ser realizados com os disp...
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Os autores agradecem Tom Robinson para leitura de prova do manuscrito, C. Bärtschi e H. Benz para a construção do sistema de controle de pressão custom-built. Gostaríamos também de agradecer o uso da instalação de sala limpa primeiro e Microscopia de Luz Center (LMC), ambos na ETH Zürich. O trabalho foi financiado pela Merck Serono e do Conselho Europeu de Investigação (ERC) no âmbito do 7 º Programa-Quadro (ERC Começando Grant, projeto n º. 203428, nμLIPIDs).
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| REAGENTS: | |||
| Nome da empresa de reagentes Número de | catálogo | Comentários (opcional) | |
| SU-8 2015 | MicroChem Corp. (Netwon, MA) | n.a.1H,1H,2H,2H-Perfluorodecil-dimetilcloro-silano | |
| ABCR (Karlsruhe, Alemanha) | AB103608 | ||
| 4-metilumbeliferilo β-D-N,NSigma | Aldrich | M9763 | |
| Acetona | Merck VWR (Darmstadt, Alemanha) | 100014 | |
| Avidin | AppliChem (Axon Lab AG) | A-2568 | |
| AZ 1518 | AZ Electronic Materials (Wiesbaden, Alemanha) | n.a.AZ | |
| 726 desenvolvedor | AZ Electronic Materials (Wiesbaden, Alemanha) | n.a. | |
| Albumina de soro bovino | Sigma Aldrich | A-4503 | |
| Albumina de soro bovino, biotina | Sigma Aldrich | A-8549 | |
| Tampão de dissociação celular | Invitrogen | 13151-014 | |
| Hexametildisilazano (HDMS) | Sigma Aldrich | 40215 | |
| Ácido clorídrico | Fluka | 84422 | |
| Isopropanol | Merck VWR (Darmstadt, Alemanha | )109634 | |
| Cloreto de magnésio hexa-hidratado | Fluka | 63068 | |
| MR developer 600 | Microresist technology GmbH (Berlim, Alemanha) | n.a.PBS | |
| Invitrogen | 10010-031 | ||
| PLL-g-PEG SuSoS enxertado | , (Dü bendorf, Suíça) | n.a.PLL-g-PEG | |
| biotina enxertada | SuSoS, (Dü bendorf, Suíça) | n.a.Cloreto | |
| potássio | Fluka | 60132 | |
| Proteína G, biotina | Sigma Fine Chemicals | 41624 | |
| Bolacha de silício | Si-Mat (Kaufering, Alemanha) | n.a.Sylgard | |
| 184 Kit de elastômero de silicone (PDMS) | Dow Corning | 39100000 | |
| Tris(hidroximetil)-aminometano | Biorad | ||
| Tween 20 | Biorad | 1706531 | |
| EQUIPAMENTO: | |||
| Nome do Material | Número de catálogo | da empresa | Comentários (opcional) |
| 0.22 µ m Filtro de seringa PES | TRP | 99722 | |
| perfurador de biópsia de 1/1,5 mm | Miltex, York PA | 33-31AA/33-31A | |
| Cell Trics filter 20 µ m | Partec | 04-004-2325 | |
| Centrífuga Sigma 3-18K | Kuehner | n.a.Placa | |
| de aquecimento HP 160 III BM | Sawatec, Sax, Suíça | alinhador de máscara n.a.MA-6 | |
| Karl Suess | n.a.Multizoom | ||
| AZ100M microscópio | Nikon Corporation | n.a.Photomask | |
| Microlitho, Essex, Reino Unido | n.a | ||
| Plasma Cleaner PDC-32G | Harrick | n.a.Spin | |
| coater Modell WS-400 BZ-6NPP/LITE | Laurell | n.a.Spin | |
| Modules SM 180 BM | Sawatec, Sax, Switzerland | n.a.Step | |
| profiler Dektak XT Advanced | Bruker | n.a.Bomba | |
| de seringa neMESYS | Cetoni | n.a. |
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Solicitar permissão para reutilizar o texto ou as figuras deste artigo JoVE
Solicitar permissão