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A montagem e liberação da interface de captura de CTC podem ser avaliadas por microscopia. Uma distribuição uniforme dos grânulos magnéticos (MBs) na parte inferior do chip HB sob um campo magnético indica uma montagem bem-sucedida, enquanto MBs residuais mínimos ou inexistentes confirmam a liberação bem-sucedida (Figura 2C). Esta etapa é crítica para determinar o rendimento e a pureza dos CTCs capturados. Para validar a eficiência de captura do chip de isolamento CTC, realizamos um experimento de pico. Um pequeno número de células tumorais com alta expressão de EpCAM (PC3 ou LNCaP) foi enriquecido em PBS contendo uma grande população de células Jurkat, que exibem baixa expressão de EpCAM, simulando a presença de células sanguíneas abundantes em circulação. O chip de isolamento CTC capturou com eficiência células tumorais de amostras de 1 mL e 10 mL, demonstrando seu alto rendimento e capacidade eficiente de classificação CTC (Figura 2D). Para avaliar a especificidade da captura baseada em IMB, usamos um chip de controle modificado com SA-MBs sem conjugação de anticorpos EpCAM. A ausência de captura significativa de células tumorais confirmou a especificidade do isolamento da CTC mediada por IMB (Figura 2D).
Além da eficiência de captura, a pureza é outro parâmetro crítico para avaliar as plataformas de isolamento CTC. Comparamos a pureza das células tumorais isoladas usando o chip de captura ou o chip de purificação sozinho, bem como a pureza alcançada por meio de seleção positiva e negativa sequencial (Figura 2E). Ambos os chips melhoraram significativamente a pureza das células tumorais em comparação com o grupo controle, demonstrando sua eficácia no isolamento de CTCs. Mais importante, o uso combinado de seleção positiva e negativa aumentou ainda mais a pureza e o rendimento das células tumorais em comparação com o uso de um único método.
Para avaliar melhor o desempenho dos chips de captura e classificação do CTC em ambientes clínicos, coletamos amostras de sangue periférico (PB) de seis doadores saudáveis e conduzimos experimentos de cravação. Dada a abundância extremamente baixa de CTCs em amostras clínicas, aproximadamente 500-1000 células LNCaP foram cravadas em cada amostra de 10 mL de PB. As contagens de leucócitos em todas as amostras de PB coletadas estavam dentro da faixa normal (4-10 × 106 células/mL). Os resultados demonstraram que o sistema de triagem CTC manteve alta eficiência de captura e pureza de células tumorais, mesmo durante o processamento de amostras clínicas (Figura 2F-G e Figura Suplementar 2).

Figura 2: Plataforma de captura e purificação CTC estruturada em espinha de peixe. (A) Fluxo de trabalho do chip de isolamento CTC. Primeiro, um campo magnético estável e IMBs conjugados com anticorpos EpCAM montam a interface de captura. Em seguida, a mistura de vórtices dentro do chip HB aumenta a eficiência da transferência de massa entre CTCs e IMBs, facilitando a captura acumulada. Finalmente, a liberação suave de CTCs é alcançada removendo o campo magnético. (B) Fluxo de trabalho do chip de purificação CTC. O chip HB é modificado com anticorpos de seleção negativa e a mistura de vórtices facilita ainda mais as interações leucócitos-anticorpos, produzindo CTCs altamente purificadas. Barra de escala, 100 μm. (C) A imagem microscópica demonstra a montagem e liberação bem-sucedidas do chip de captura. (D) Os gráficos de barras comparam a eficiência de captura CTC da plataforma de isolamento em diferentes volumes de amostra, usando SA-MBs não funcionalizados como controle. Barras de erro, média ± DP, n = 3. (E) Os gráficos de barras comparam a pureza das CTCs obtidas usando apenas um único chip HB versus aquelas submetidas a captura e purificação sequenciais. O grupo controle representa a pureza da CTC não tratada. Barras de erro, média ± DP, n=3. (F) Identificação de células no chip de isolamento CTC. As células LNCaP foram coradas com Hoechst e Calcein AM, enquanto as células sanguíneas foram coradas apenas com Hoechst. Barra de escala, 100 μm. (G) Pureza das células tumorais e eficiência de captura em experimentos de pico usando 1 mL ou 10 mL de sangue periférico. Barras de erro, média ± DP, n = 3. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
As células tumorais isoladas foram posteriormente submetidas a sequenciamento de célula única de alto rendimento. Nosso protocolo incorpora um sistema de código de barras de célula única que consiste em 60.000 micropoços aninhados (Figura 3A-B). Os micropoços inferiores em forma de quadrado servem para capturar células individuais, enquanto os micropoços superiores são projetados para carregamento de contas. Cada micropoço inferior mede 25 μm de comprimento, largura e altura, adequado para a maioria dos tipos de células. Os poços hexagonais superiores têm um diâmetro de círculo inscrito e altura de 50 μm para acomodar grânulos que normalmente variam de 30 a 50 μm. O sistema aumenta a eficiência da captura de células com base na captura cumulativa, evitando duplicatas de células por meio dos micropoços de exclusão de tamanho. Para otimizar o protocolo de carregamento celular, investigamos a eficiência de captura celular e a taxa de ocupação de micropoços sob diferentes condições de entrada celular (Figura 3C). Os resultados mostraram que o aumento da entrada celular não diminuiu a eficiência de captura; em vez disso, aumentou significativamente a taxa de ocupação. Para o chip de captura de 60.000 poços, a taxa de ocupação de micropoços se estabilizou quando a entrada da célula atingiu 80.000, não mostrando nenhum aumento adicional com a entrada adicional. Para minimizar a ocorrência de dupletos devido à carga excessiva de células, selecionamos 80.000 células como a entrada ideal. Conforme mostrado na Figura 3D, o chip de código de barras de célula única alcançou uma taxa de ocupação de 85,6% de células e 95,7% de contas com código de barras, resultando em uma taxa de emparelhamento de 81,9%. Além disso, foram realizados múltiplos assentamentos de acordo com o protocolo, o que melhorou significativamente a eficiência de captura e a taxa de pareamento por meio do efeito de captura cumulativa (Figura 3D). Notavelmente, a diferença observada nas taxas de ocupação entre células e grânulos é atribuída à maior densidade e massa dos grânulos em comparação com as células, o que permite que eles se acomodem com mais eficiência nos micropoços sob gravidade. Portanto, sob condições de carregamento otimizadas, uma taxa de ocupação de emparelhamento de aproximadamente 80% é geralmente considerada ideal.

Figura 3: Tecnologia de codificação de barras e sequenciamento de célula única de alto rendimento baseada em micropoços. (A) Fluxo de trabalho do protocolo de sequenciamento CTC único. (B) A microcópia demonstra estruturas microfluídicas de poços de captura de esferas de célula única/código de barras. Os processos de captura de células, captura de contas e recuperação de contas são mostrados da esquerda para a direita. Barra de escala de 30 μm. (C) Os gráficos de linha ilustram a eficiência de captura de células e a taxa de ocupação de micropoços do chip de código de barras de célula única (60000 poços duplos) sob diferentes condições de entrada de células. (D) Taxas de ocupação de células e contas com código de barras sob condições otimizadas de entrada de células, juntamente com a proporção de emparelhamento célula-grânulo correspondente. Os painéis esquerdo e direito mostram a abordagem de captura utilizando várias tentativas de assentamento e apenas assentamento único, respectivamente. Barras de erro, média ± DP, n = 3. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Finalmente, para validar o protocolo integrado para classificação de CTC e scRNA-seq, misturamos células PC3, LNCaP e Jurkat em uma proporção estimada de 1:3:4000 e as carregamos nos chips microfluídicos para captura de células tumorais, purificação e sequenciamento de célula única. Através da eficiente plataforma de isolamento de células tumorais, obtivemos células tumorais positivas para EpCAM de alta pureza (Figura 4B). Ao mesmo tempo, o chip scRNA-seq baseado em microfluídica demonstrou capacidade precisa de perfil de tipo de célula, com os resultados visualizados por meio da análise t-Distributed Stochastic Neighbor Embedding (t-SNE) (Figura 4A). Identificamos com sucesso três populações de células distintas, cada uma das quais poderia ser distinguida por marcadores únicos (Figura 4C). Além disso, as proporções de células na saída final corresponderam às da entrada purificada, confirmando que o processo de código de barras de célula única era imparcial e livre de contaminação (Figura 4B). Um cluster foi identificado como células Jurkat com base na expressão específica de TRBC1, IGLL1, CD1E e CD3D (Figura 4D). A análise de enriquecimento da via confirmou ainda mais a robustez dessa classificação (Figura 4E). Além disso, as duas linhagens celulares de câncer de próstata foram distintamente separadas em grupos individuais de acordo com genes diferencialmente expressos (DEGs) (Figura 4F-G). O cluster PC3 foi caracterizado por alta expressão de microsseminoproteína (MSMP), também conhecida como microproteína secretada por PC3. Por outro lado, o cluster LNCaP expressou exclusivamente marcadores relacionados à adesão, proliferação e pluripotência celular, como NEDD4, CTNNA1 (α-catenina 1) e RBBP7.

Figura 4: Validação da classificação CTC e sequenciamento de célula única usando um experimento spike-in. (A) Gráfico t-SNE mostrando o perfil do tipo de célula das células capturadas e purificadas. (B) Gráfico de barras representando as proporções dos três tipos de células em três estágios: entrada inicial, pós-purificação e saída de sequenciamento final. (C) Gráfico de pontos ilustrando a expressão de genes marcadores únicos em diferentes aglomerados de células. (D) Níveis de expressão de TRBC1, IGLL1, CD1E e CD3D em todas as células. (E) Análise de enriquecimento das vias GO e KEGG de genes diferencialmente expressos (DEGs) no cluster Jurkat. (F) Padrões de expressão de NEDD4 e MSMP em todas as células. (G) Gráfico de vulcão mostrando DEGs entre os clusters PC3 e LNCaP. Os pontos vermelhos representam genes regulados positivamente em PC3; os pontos azuis representam aqueles regulados positivamente em LNCaP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Mistura mestre | Reagente | Diluição final | Tipo de buffer |
| 0,5% F-68 | F-68 | 0.50% | Água tratada DEPC |
| PBS | 1× |
| TE-TW | Tris-HCl (pH=8,0) | 10 mM | Água tratada DEPC |
| EDTA | 1 mM |
| Interpolação-20 | 0.01% |
| 20× TE (pH=7,5) | Tris-HCl (pH=7,5) | 200 mM | Água tratada DEPC |
| EDTA | 20 mM |
| TE-SDS | Tris-HCl (pH=8,0) | 10 mM | Água tratada DEPC |
| EDTA | 1 mM |
| SDS | 0.50% |
Tabela 1: Composição da mistura de reagentes para preparação de sequenciamento de CTC única. São mostradas partes dos reagentes necessários para o scRNA-seq, que podem ser preparadas antes da operação do chip para garantir um processo rápido e suave.
Figura suplementar 1: Design para o chip HB. (A) Diagrama esquemático da estrutura microfluídica de duas camadas. Superior: Camada superior com a estrutura em espinha de peixe. Uma inserção ampliada mostra a geometria detalhada da espinha de peixe, que é orientada em um ângulo de 45° em relação à parede do canal, com uma largura de ranhura de 100 μm e um passo de 200 μm. Inferior: Camada inferior composta por uma matriz de pilares de suporte (28 colunas × 7 linhas), numerada de #1 a #28 ao longo da direção do fluxo. (B) Vista lateral do chip espinha de peixe. Os sulcos em espinha de peixe têm uma largura de 100 μm. As alturas das estruturas em espinha de peixe e dos pilares de suporte são de 50 μm. (C) Vista superior do chip em espinha de peixe. Cada pilar de suporte mede 500 μm de largura e 1150 μm de comprimento, com uma folga de 550 μm entre os pilares adjacentes. (D) Fotografia do chip HB fabricado. Clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 2: Imagem representativa mostrando células tumorais e células sanguíneas coradas com fluorescência presentes no fluido residual coletado da saída do chip de isolamento CTC. As células LNCaP foram coradas com Hoechst e Calcein AM, enquanto as células sanguíneas foram coradas apenas com Hoechst. Barra de escala 100 μm. Clique aqui para baixar este arquivo.
Tabela suplementar: Sequências de oligonucleotídeos usadas na transcrição reversa e preparação da biblioteca Clique aqui para baixar este arquivo.