Mechano-Node-Pore Sensing: Uma plataforma rápida e sem rótulos para medições viscoelásticas de célula única multiparâmetro
2 de dezembro de 2022
Apresentamos aqui um método para fenótipo mecânico de células individuais usando uma plataforma microfluídica baseada em eletrônica chamada detecção de mechano-node-pore (mechano-NPS). Esta plataforma mantém um rendimento moderado de 1-10 células/s enquanto mede as propriedades biofísicas elásticas e viscosas das células.
Apresentamos uma plataforma microfluídica baseada em eletrônica para fenotipagem mecânica de células únicas. Especificamente, medimos propriedades elásticas e viscosas de célula única a uma taxa de transferência de até 10 células por segundo. Nosso método requer uma preparação mínima da amostra, utiliza uma medição eletrônica direta, substituindo hardware óptico caro e análise de imagem complexa, e não é destrutivo, o que significa que nossa abordagem é compatível com análises a jusante.
O Mechano-NPS tem sido aplicado a muitos tipos de células, incluindo amostras primárias, e mediu o efeito de componentes subcelulares na viscoelasticidade de célula única. Ele poderia ser usado para entender o comportamento celular, determinar a progressão da doença ou monitorar a resposta a medicamentos. Para começar, remova os componentes tratados com plasma da câmara de plasma.
Pipetar uma solução de dois para um de metanol e água deionizada sobre o substrato de vidro com eletrodos pré-fabricados. Em seguida, coloque o molde PDMS com o recurso virado para baixo em cima do substrato de vidro. Coloque o dispositivo sob o estereoscópio para ajustar o alinhamento.
Asse o dispositivo alinhado para concluir a fabricação do dispositivo. Prepare a fonte de pressão, a PCB, o hardware de bancada e o software de aquisição de dados. Em seguida, alinhe os pinos do conector do grampo com os orifícios da PCB e alinhe os pinos carregados da mola do grampo com as almofadas de contato do eletrodo no dispositivo microfluídico.
Em seguida, insira os pinos do conector das braçadeiras nos orifícios da PCB, certificando-se de que os pinos carregados com a mola permaneçam alinhados com as almofadas de contato do eletrodo. Configure e conecte o hardware eletrônico. Em seguida, defina os valores para inicializar a sessão de aquisição de dados e defina a taxa de amostragem para aquisição.
Cultivar e preparar as células de acordo com o protocolo de cultura celular apropriado da linhagem celular de escolha. Em seguida, suspenda as células em uma solução preparada de 2%FBS e 1X PBS a uma concentração entre 100.000 e 500.000 células por mililitro. Mantenha as células no gelo durante a duração dos experimentos.
Para carregar as células no dispositivo microfluídico, corte 30 centímetros de tubo de politetrafluoroetileno com uma lâmina de barbear. Use uma seringa para soltar a amostra de célula na extremidade da tubulação e conecte a mesma extremidade à entrada do dispositivo. Finalmente, conecte a extremidade oposta da tubulação ao controlador de pressão microfluídica.
Para executar o experimento, defina a pressão de acionamento constante desejada no software controlador de pressão e permita que a amostra encha o dispositivo. Se formarem bolhas nos canais microfluídicos, use o preenchimento sem saída. Ligue a tomada do dispositivo e aplique uma pressão baixa à entrada para forçar a saída de ar através do PDMS permeável ao gás.
Em seguida, defina a tensão desejada girando o botão de tensão na fonte de alimentação e ative a tensão pressionando o botão ligado. Ligue o pré-amplificador de corrente e defina a sensibilidade o mais baixa possível. Alternativamente, defina o ganho o mais alto possível sem sobrecarregar o pré-amplificador ou exceder a tensão máxima de entrada analógica do DAQ.
Pressione o botão verde Executar no menu da faixa de opções do MATLAB para iniciar o NPS do script de aquisição de dados. m e comece a amostrar e salvar os dados. Para encerrar o experimento, pressione o botão Parar no canto inferior esquerdo da janela de plotagem ao vivo para encerrar o script de aquisição de dados.
Em seguida, desative a saída da fonte de alimentação pressionando o botão Ligado. Finalmente, defina a fonte de pressão para pressão zero no software do controlador de pressão. Para a análise de dados, o sinal bruto deve ter uma relação sinal-ruído suficiente para filtrar o ruído e extrair os componentes significativos.
Criticamente, o aumento do sinal de corrente de cada nó deve ser robusto o suficiente para que os subpulsos possam ser facilmente identificados a partir do sinal de diferença. As células MCF-7 malignas têm uma distribuição wCDI maior do que as células MCF-10A não malignas, indicando que as células MCF-7 malignas são mais macias do que suas contrapartes MCF-10A não malignas. As células MCF-10A e MCF-7 tratadas com latrunculina mostram um aumento no wCDI.
Uma distribuição wCDI distinta diferenciando os dois tipos de células primárias indica que as células LEP são mais macias do que as células MEP. Os MCF-10As não malignos e os MCF-10A e MCF-7 não tratados têm uma proporção maior de células que se recuperam instantaneamente, indicando menor viscosidade do que sua contraparte maligna ou tratada com latrunculina. Se a leitura da corrente ao vivo parecer anormal, pare o experimento e inspecione o canal microfluídico.
Certifique-se de que não haja bolhas de ar e nem entupimentos de modo que as células estejam fluindo livremente da entrada para a saída. Como nosso método não prejudica as células, análises a jusante como RNA-seq ou imunofluorescência podem ser realizadas. Isso poderia ajudar a descobrir algumas razões subjacentes pelas quais as células têm fenótipos mecânicos distintos.
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Visão Geral
Este artigo apresenta um método para fenotipagem mecânica de células únicas usando uma plataforma microfluídica baseada em eletrônica conhecida como sensoriamento de mechano-nó-poro (mechano-NPS). A plataforma permite a medição de propriedades elásticas e viscosas de células em um rendimento de até 10 células por segundo, facilitando preparação mínima de amostra e análise não destrutiva.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurociência
- Biologia Celular
- Microfluidos
Fundo
- Mechano-NPS é uma plataforma inovadora para estudar a mecânica de células únicas.
- O método permite a análise de vários tipos de células, incluindo amostras primárias.
- Fornece insights sobre as propriedades viscoelasticas das células.
- A abordagem é compatível com análises posteriores, aumentando sua utilidade na pesquisa.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método para fenotipagem mecânica de células únicas.
- Medir as propriedades elásticas e viscosas das células eficientemente.
- Facilitar a compreensão do comportamento celular e progressão da doença.
Métodos Utilizados
- Plataforma microfluídica baseada em eletrônica para análise celular.
- Medição da viscoelasticidade de células únicas.
- Preparação mínima de amostra necessária.
- Medição não destrutiva compatível com análises posteriores.
Principais Resultados
- Medição bem-sucedida das propriedades elásticas e viscosas de vários tipos de células.
- Aplicação demonstrada do mechano-NPS no estudo de componentes subcelulares.
- Potencial para monitoramento de respostas a medicamentos e compreensão dos mecanismos de doenças.
Conclusões
- Mechano-NPS é uma ferramenta valiosa para fenotipagem mecânica de células.
- A plataforma oferece uma alternativa econômica aos métodos tradicionais.
- Abre novos caminhos para pesquisa em mecânica celular e biofísica.
Perguntas Frequentes
Executive Industry Relevance
Mechano-node-pore sensing (mechano-NPS) enables rapid, label-free, multi-parameter viscoelastic profiling of single cells, addressing the need for higher-throughput, quantitative mechanical phenotyping in discovery-stage biopharma R&D. By providing both elastic and viscous measurements at moderate throughput with minimal sample preparation, this platform supports predictive confidence in target validation and mechanistic de-risking. Its compatibility with downstream analyses positions it as a reusable capability for portfolio-wide biological interrogation and risk-adjusted advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of cell mechanical phenotypes relevant to disease progression and drug response.
- Supports functional target validation by distinguishing cell states based on viscoelastic properties.
- Facilitates mechanistic de-risking by linking subcellular components to measurable biophysical outputs.
- Provides multi-parameter data to inform predictive confidence and triage in early discovery.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, label-free mechanical phenotyping assays for downstream compound screening.
- Delivers standardized, reproducible, and quantitative viscoelastic readouts for assay development.
- Enables moderate-throughput screening readiness without reliance on complex optical systems.
- Supports reliable evaluation of compound effects on cell mechanics.
Translational & Preclinical Research
- Aligns mechanical phenotyping with disease-relevant cellular states for translational biomarker exploration.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by enabling downstream molecular analyses.
- Provides risk-adjusted data for advancement decisions based on biophysical cell state changes.
- Offers predictive de-risking for mechanistic hypotheses in disease models.
Pipeline & Workflow Integration
Mechano-NPS integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking at the single-cell level.
- Discovery Biology: Quantifies viscoelastic properties to test mechanistic hypotheses and clarify disease pathways.
- Screening: Provides reproducible, quantitative outputs for compound evaluation and assay standardization.
- Analytics: Generates multi-parameter measurements (size, deformation, recovery) for robust statistical comparison.
- Translational Research: Supports biomarker alignment and downstream molecular profiling of phenotyped cells.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for repeated use across diverse cell types and programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable, and reproducible mechanical phenotyping with minimal sample prep.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by providing actionable biophysical data early.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement across multiple discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, electronics-based measurement, and data analysis.
- Needs access to standard soft lithography fabrication and electronic data acquisition infrastructure.
- Demands cross-team standardization for sample preparation and data interpretation.
- Adaptable to a range of cell types and compatible with downstream molecular analyses.
- Throughput is moderate (up to 10 cells/sec), balancing depth of measurement with screening needs.
