1. Бактериальные штаммы и протоколы культивирования
- Разрежьте колонии бактерий на агаровых пластинах, дополненных соответствующими питательными средами. В данном отчете B. subtilis (штамм 1A1135, Bacillus Genetic Stock Center) культивируется на ATGN (0,079 M KH2PO4 (дигидрофосфат калия), 0,015 M (NH4)2SO4 (сульфат аммония), 0,6 мМ MgSO4·7H2O (гептагидрат сульфата магния), 0,06 мМ CaCl2·2H2O (дигидрат хлорида кальция), 0,0071 мМ MnSO4·H2O (моногидрат сульфата марганца(II)), 0,125 М FeSO4·7H2O (гептагидрат сульфата железа), 28 мМ глюкозы, pH: 7 ± 0,2, 15 г/л агара) агаровые пластины с добавлением 100 мкг/мл спектиномицина и E. coli (штамм 25922, ATCC) на агаровых пластинах ATGN с добавлением ампициллина 100 мкг/мл.
ПРИМЕЧАНИЕ: В предыдущих сообщениях об инкапсуляции гидрогеля и высвобождении с помощью этих материалов использовались клетки A. tumefaciens C58 - Выберите нужные колонии из агаровых пластин ATGN и приступайте к выращиванию культур на ночь. Используемые здесь штаммы E. coli и B. subtilis культивируют при температуре 37 °C и встряхивают при 215 об/мин в жидкой среде ATGN в течение 24 ч. Храните клеточные культуры в 50% глицерине при температуре -80 °C до дальнейшего использования.
- Отоберите колонии обоих штаммов из запасов глицерина с помощью стерильных контуров инокуляции и инкубируйте в жидких средах ATGN в течение 24 ч при 37 °C и 215 об/мин.
2. Подготовка материала, необходимого для образования гидрогеля
- Синтез фоторазлагаемого ПЭГ-о-NB-диакрилата (полиэтиленгликоль)-ортобензил-диакрилата)
ПРИМЕЧАНИЕ: Внутренний синтез PEG-o-NB-диакрилата был хорошо описан и ранее о нем сообщалось. В качестве альтернативы, поскольку синтез является рутинным, он может быть передан на аутсорсинг из предприятия химического синтеза. - Буфер сшивки
- Возьмите рецепт выбранной среды для штамма бактерий и приготовьте среду с 2x питательными веществами. Добавьте фосфат, например,2PO4 (дигидрофосфат натрия), в среду до конечной концентрации 100 мМ. Затем отрегулируйте значение pH до 8 с помощью 5 М NaOH (гидроксид натрия) (водный).
- Стерилизуйте буферный раствор и храните его при температуре -20 °C до дальнейшего использования.
ПРИМЕЧАНИЕ: Исключите все переходные металлы, присутствующие в среде, так как эти металлы катализируют окисление тиолов до дисульфидов.
- Раствор PEG-o-NB-диаакрилата
- На каждый мг аликвотного порошка PEG-o-NB-диакрилата (молекулярная масса 3400 Да) добавьте 3,08 мкл ультрачистой воды, чтобы достичь концентрации 49 мМ PEG-o-NB-диакрилата (98 мМ концентрации акрилата).
- Перемешайте раствор до тех пор, пока он хорошо не перемешается, и храните этот раствор при температуре -20 °C до дальнейшего использования.
- 4-плечевой раствор ПЭГ-тиола
- Для получения ПЭГ-тиола (молекулярная масса 10 000 Да) с 4 группами добавьте 4 мкл сверхчистой воды на мг порошка для достижения концентрации 20 мМ (80 мМ концентрации тиола).
- Ввергните этот раствор в вихрь до тех пор, пока он хорошо не перемешается, и храните этот раствор при температуре -20 °C до дальнейшего использования.
3. Приготовление перфторалкилированных (нереакционноспособных) покровных стекол
- Поместите до 5 стеклянных слайдов (25 мм x 75 мм x 1 мм) внутрь полипропиленовой скользящей почтовой машины. Обработайте предметные стекла ультразвуком 2% (по массе) раствором моющего средства (Таблица материалов) в течение 20 минут.
- Трижды промойте слайды ультрачистой водой, затем обработайте их ультразвуком в воде в течение 20 минут. Высушите слайды с помощью струи N2 (азота).
- Плазменная очистка (см. Таблицу материалов) с обеих сторон стекол в соответствии с протоколом в разделе 4.1 в течение 2 мин.
- Поместите очищенные плазмой предметные стекла обратно в почтовую машину и заполните контейнер 0,5% (v/v) раствором трихлора(1H, 1H, 2H, 2H,-перфтороктил)силана в толуоле. Дайте этим стеклянным предметным стеклам функционализироваться в течение 3 часов при комнатной температуре (RT).
- После того, как слайды будут функционализированы, промойте слайды внутри почтовой машины, сначала толуолом, а затем этанолом (по три раза с каждым растворителем). Затем высушите каждую функционализированную горку струей N2.
4. Приготовление тиол-функционализированных (базовых) покровных покрытий
- Очистка стеклянных покровных стекол с помощью плазменного очистителя
- Поместите покровные стекла размером 18 мм x 18 мм в чашку Петри. Затем поместите чашку Петри в камеру плазмоочистителя и включите мощность плазменного очистителя.
- Включите вакуумный насос, чтобы очистить воздух из камеры, пока манометр не покажет 400 мторр.
- Откройте дозирующий клапан, чтобы впустить воздух в камеру до тех пор, пока манометр не достигнет постоянного давления (800-1000 мТорр). Затем выберите RF в режиме «Hi» и выставьте покровные стекла на 3 минуты.
- Через 3 минуты выключите радиочастотный режим и вакуумный насос.
- Выньте чашку Петри из камеры, переверните покровные крышки, поместите их обратно в камеру для плазмы и обнажите другую сторону стеклянной крышки.
- Повторите шаги 4.1.2-4.1.4 для очистки необработанной стороны покровного стекла плазмой.
- После завершения процесса извлеките чашку Петри из камеры и выключите плазмоочиститель и вакуумный насос.
- Очистка и гидроксилирование покровных стекол раствором пираньи
ПРИМЕЧАНИЕ: Стандартные протоколы очистки пираний могут быть использованы для очистки и гидроксилирования стеклянных шликеров. Раствор пираньи представляет собой смесь H2O2 (перекись водорода) и H2SO4 (серная кислота) в соотношении 30:70 (v/v). Также можно использовать альтернативные методы очистки стеклянных покровных стекол.
ВНИМАНИЕ: Раствор пираньи сильно коррозионный и взрывоопасный по отношению к органическим растворителям, и с ним следует обращаться с особой осторожностью. Должны быть приняты соответствующие меры безопасности и сдерживания, такие как использование надлежащих средств индивидуальной защиты (лабораторный халат, химически стойкий фартук, защитные очки, лицевой щиток, кислотостойкие бутиловые перчатки). Перед использованием вся стеклянная посуда и рабочие поверхности, контактирующие с раствором пираньи, должны быть чистыми, сухими и очищенными от органических остатков. Раствор пираньи ни в коем случае нельзя хранить в частично закрытой или закрытой таре.- Поставьте чистую стеклянную тарелку размером 100 мм x 50 мм на магнитную мешалку с конфоркой с регулируемой скоростью перемешивания под вытяжной шкаф и добавьте в чашку 14 мл H2SO4 .
- Аккуратно поместите небольшую магнитную полоску с тефлоновым покрытием с помощью щипцов с тефлоновым покрытием внутрь формы. Затем медленно поворачивайте мешалку, чтобы не разбрызгать кислоту.
- Затем аккуратно добавьте в форму 6 мл H2O2 и дайте раствору хорошо перемешаться.
- Выключите мешалку, затем снимите мешалку с посуды с помощью щипцов. Далее аккуратно поместите покровные листы внутрь посуды с помощью щипцов и установите температуру 60–80 °C.
- Через 30 минут аккуратно снимите покровные листы с помощью щипцов и дважды погрузите их в деионизированную воду (DI), чтобы смыть остатки раствора пираньи.
- После промывки водой храните покровные стекла в деионизированной воде при температуре RT до дальнейшего использования.
- Выключите конфорку и дайте раствору пираньи остыть.
- Чтобы утилизировать раствор пираньи, аккуратно поместите стеклянную тарелку размером 100 мм x 50 мм, содержащую охлажденный раствор пираньи, в большую пустую стеклянную чашку объемом не менее 1,5 л. Затем добавьте 1 л воды для разведения и добавьте порошок гидрокарбоната натрия для нейтрализации. Обратите внимание, что бикарбонат натрия вызывает образование пузырей и выделение тепла, и его следует добавлять очень медленно; В противном случае барботирование может привести к разбрызгиванию кислоты. Если дальнейшее добавление бикарбоната натрия не вызывает образования пузырей, проверьте pH с помощью бумаги pH, чтобы убедиться, что он был нейтрализован. Как только раствор будет нейтрализован и остынет, его можно выливать в раковину.
- Тиоловая функционализация покровных изделий
- Приготовьте 5% (v/v) раствор 269 мМ (3-меркаптопропил) раствора триметоксисилана (MPTS) в сухом толуоле.
- Добавьте 10 мл раствора в отдельные конические центрифужные пробирки объемом 50 мл. Поместите по одному очищенному покровному стекло в каждую пробирку и погрузите его в раствор.
ПРИМЕЧАНИЕ: Один покровный стекло на пробирку объемом 50 мл используется для обеспечения тиолирования обеих сторон подложки без помех со стороны других подложек. - Через 4 часа промойте каждый покровный лист (четыре стирки на один покровный лист) толуолом, этанолом 1:1 (v/v) смесью толуола и этанолом.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это делается путем последовательного погружения каждого покровного стекла в конические центрифужные пробирки, содержащие упомянутые растворы. - После промывки основания погрузите его в этанол и храните при температуре 4 °C до дальнейшего использования.
ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от количества покровных слипов, этот метод может стать трудоемким из-за обработки покровных слипов по одному. Для нескольких покровных стекол можно использовать банки Columbia, которые подходят к нескольким покровным стеклам одновременно.
5. Изготовление кремниевых микролуночных массивов
- Покрытие из парилена: используйте стандартный протокол, описанный в предыдущих научных статьях, для покрытия кремниевых пластин париленом.
- Микропроизводство: Следуйте протоколу, описанному Баруа и др., для проектирования и изготовления массива микролунок.
6. Образование гидрогеля
- Объемное образование гидрогеля на стеклянных покровных стеклах
- Раствор прекурсора гидрогеля: добавьте 12,5 мкл буфера для сшивания в микроцентрифужную пробирку объемом 0,5 мл, а затем 5,6 мкл раствора PEG-o-NB-диакрилата. Наконец, добавьте в смесь 6,9 мкл 4-плечевого раствора ПЭГ-тиола.
ПРИМЕЧАНИЕ: Добавление в смесь тиола PEG с 4 плечами запускает реакцию сшивания. Таким образом, раствор гидрогелевого прекурсора следует использовать сразу после смешивания. - Для инкапсуляции клеток в растворе гидрогелевого предшественника выполните шаги 6.1.3-6.1.9.
- Для инкапсуляции ячеек перед шагом 6.1.1 инокулируйте буфер для сшивки с желаемой плотностью клеток. Как сообщалось ранее19, было замечено, что плотность клеток 7,26 ×10 7 КОЕ/мл в буфере для сшивки коррелирует с плотностью ~ 90 клеток/мм2 , инкапсулированных через гидрогель.
- Поместите тиолированную основу на чистую чашку Петри. Поместите две распорки (см. Таблицу материалов) на две противоположные стороны покровного стекла.
ПРИМЕЧАНИЕ: Тиоловая функционализация покровных стекол необходима для ковалентного прикрепления гидрогеля к поверхности покровного стекла. Это происходит за счет реакции тиоловых групп на поверхности и акрилатных групп, присутствующих в растворе гидрогелевого предшественника. - Закрепите распорки на нижнем покровном листе, прикрепив распорки к чашке Петри.
- Пипеткой наберите желаемый объем раствора прекурсора на нереактивном перфторалкилированном предметном стекле.
- Поместите предметное стекло с перфторалкилированным стеклом на нижнее покровное стекло (рис. 1C). Подождите 25 минут при ртутной терапии, чтобы образование гидрогеля завершилось.
- После гелеобразования аккуратно снимите перфторалкилированное предметное стекло. Гидрогель останется прикрепленным к покровному стеклу основания.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для покровных стекол размером 18 мм x 8 мм для получения мембраны толщиной 12,7 мкм используйте ~7 мкл раствора прекурсора (рис. 1A, B). Использование больших объемов раствора прекурсора может привести к образованию гидрогеля под основным покровным стеклом. Это может привести к тому, что покровная крышка основания прилипнет к чашке Петри и сломается при попытке снятия. Кроме того, остатки гидрогеля под покровным стеклом проблематичны для микроскопии. Требуется бережное удаление нереактивного перфторалкилированного предметного стекла, так как быстрое удаление может повредить гидрогель. - Поместите субстрат в чашку Петри размером 60 мм x 15 мм в указанную питательную среду. В данном случае в течение 24 часов использовали среду ATGN с добавлением 100 мкг/мл спектиномицина для B. subtilis или 100 мкг/мл ампициллина для E.coli при 37 °C.
7. Подготовка материала к клеточной экстракции
- Подготовка держателя PDMS (полидиметилсилоксан)
- Склейте скотчем стопку из десяти покровных стекол размером 18 х 18 мм и приклейте эту стопку покровных стеблей к дну чашки Петри.
- Для изготовления держателей PDMS смешайте прекурсор PDMS и отвердитель в соотношении 10:1 в пластиковом стаканчике, дегазируйте смесь в вакуумном эксикаторе, а затем вылейте смесь в чашку Петри.
- Отверждение PDMS в течение 90 минут при 80 °C. Затем разрежьте обмотанный скотч блок, чтобы снять держатель PDMS, и поместите держатель PDMS на предметное стекло для более удобного использования при микроскопии.
- Подготовка микрошприца и трубки
- Отрежьте 20 см трубки из ПТФЭ (политетрафторэтилена) (0,05 дюйма внутри) и прикрепите один конец трубки к шприцу объемом 100 мкл микролитра.
ПРИМЕЧАНИЕ: При экстракции избегайте использования пипеток, так как извлечение высвобождающихся клеток с помощью наконечника пипетки может повредить поверхность гидрогеля и привести к загрязнению.
8. Деградация гидрогеля с помощью инструмента с узорчатой подсветкой
- Включите микроскоп (см. Таблицу материалов). Затем включите инструмент подсветки с рисунком (см. Таблицу материалов).
- Включите модуль аналогового и цифрового управления светодиодным источником света 365 нм. Далее включите модуль управления светодиодным источником света.
- Откройте программное обеспечение микроскопа и программное обеспечение для инструмента узорчатого освещения. Когда откроется окно настройки оборудования, нажмите кнопку Загрузить.
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь будут загружены три устройства. (Камера стороннего производителя, модуль управления и инструмент подсветки с рисунком) - Нажмите кнопку «Пуск». Откроется окно программы для создания световых узоров. Выберите первый вариант, кнопку «Управление устройством», на левой боковой панели окна.
- Откалибруйте инструмент для подсветки с рисунком.
ПРИМЕЧАНИЕ: Калибровка должна выполняться с тем же объективом микроскопа и фильтром, которые будут использоваться для воздействия света.- Установите объектив микроскопа на 10-кратное увеличение.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это увеличение обеспечивает достаточное рабочее расстояние между линзой микроскопа и поверхностью образца. Это также позволяет отслеживать и записывать процесс извлечения в режиме реального времени через окно изображения. - Установите объектив и фильтр микроскопа на настройки, используемые для экспонирования света, и поместите калибровочное зеркало под микроскоп.
- В окне «Управление устройством» нажмите вкладку «Управление светодиодами». Включите светодиод #1 и установите интенсивность света на нужное число. В стандартных экспериментах с экстракцией это значение установлено на 60%.
- Нажмите на вкладку с названием продукта инструмента с узорчатой подсветкой в окне «Управление устройством». Затем нажмите кнопку «Показать сетку».
ПРИМЕЧАНИЕ: На калибровочное зеркало будет спроецирована сетчатая диаграмма. - Отрегулируйте фокусировку микроскопа и экспозицию камеры, чтобы получить высокое качество изображения сетки, и при необходимости поверните камеру, чтобы выровнять линии сетки параллельно рамке окна камеры.
- Нажмите кнопку «Мастер калибровки» под вкладкой с названием продукта инструмента с узорчатой подсветкой и следуйте инструкциям, предоставленным программным обеспечением в этом окне. ПРИМЕЧАНИЕ: Откроется окно настройки камеры стороннего производителя.
- Откроется окно выбора типа калибровки. Выберите «Автоматическая калибровка» и нажмите «Далее».
- Когда откроется окно Предварительная калибровка Настройка, следуйте инструкциям программного обеспечения и нажмите кнопку Далее.
- Когда откроется окно Информация о сопоставлении, сохраните эту калибровку в нужной папке. Для этого нужно указать дату, название микроскопа, линзу объектива и фильтр.
- После калибровки нажмите кнопку «Определение рабочей области» на вкладке с названием продукта инструмента с узорчатым освещением, чтобы при необходимости определить рабочую область инструмента с узорчатым освещением.
- Секция Sequence Design для подготовки шаблонов.
- Нажмите кнопку «Дизайн последовательности» на левой боковой панели окна программы. Затем нажмите кнопку «Редактор последовательности профилей».
- Когда откроется окно «Редактор последовательностей профилей», выберите параметр «Новый профиль» в списке профилей.
ПРИМЕЧАНИЕ: Теперь будет открыто окно редактора узоров. - Подготовьте желаемый узор для светового воздействия, выбрав различные формы и размеры узора или нарисовав узор вручную, если это необходимо.
- Для круговых и ломаных крестообразных узоров для объемного гидрогеля выполните шаги 8.6.5-8.6.6
- Для круговых узоров определите круг диаметром 30 мкм над целевой колонией бактерий, чтобы покрыть всю колонию. Выберите цвет заливки фигуры белым.
- Для узоров ломаного креста выберите форму прямоугольника в окне рисования узора размером 3 м x 8 мкм. Поместите четыре прямоугольника с этими размерами по краям целевой колонии, в то время как половина узоров будет наложена на колонию.
- Для получения круглых и кольцевых шаблонов для массивов микролунок выполните шаги 8.6.8-8.6.10.
- Для узоров кругов нарисуйте круг диаметром 10 мкм по периметру скважины. Выберите цвет заливки фигуры белым.
- Для узора кольца нарисуйте круг диаметром 20 мкм, поместите его над лункой и выберите форму заливки белого цвета.
- Нарисуйте еще один круг диаметром 10 мкм с формой заливки черного цвета и разместите его по периметру колодца.
- Отредактируйте узор и измените формы в зависимости от желаемого метода извлечения. Убедитесь, что нужный узор существует в рабочей области инструмента узорчатого освещения.
- Поместите образец в держатель PDMS и нанесите дозатор определенной среды поверх образца, чтобы предотвратить обезвоживание образца и обеспечить несущее решение для высвобождающихся клеток.
- Затем замените его калибровочным зеркалом.
- Отрегулируйте фокус микроскопа, чтобы получить четкое изображение колоний внутри гидрогеля. Осмотрите колонии, чтобы определить интересующую их колонию.
- Здесь вы можете спроектировать световые узоры, в то время как вид с камеры показывает колонии внутри образца, чтобы протестировать различные шаблоны для извлечения клеток.
- Сохраните заданный шаблон. После сохранения заданного шаблона выберите раздел «Управление сессией».
- В этом разделе на вкладке с названием продукта инструмента с узорчатой подсветкой добавьте сохраненную последовательность.
- После добавления последовательности выберите опцию имитации шаблона для просмотра и настройки для желаемого места экспозиции.
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь можно отрегулировать расположение образца, чтобы обеспечить точное проецирование рисунка в целевую область. - Далее отрегулируйте интенсивность света до 60% и время экспозиции до 40 с на вкладке управления светодиодами и запустите процесс экспозиции.
- Контролируйте деградацию гидрогеля в режиме реального времени и в светлом поле, чтобы обеспечить высвобождение клеток.
ПРИМЕЧАНИЕ: Не допускайте никаких движений образца во время воздействия света, так как это может привести к деградации нежелательных участков гидрогеля, что приведет к перекрестному загрязнению.
9. Извлечение клеток
- После воздействия света на 365 нм и высвобождения клеток клетки собирают с помощью микролитрового шприца и микрофлюидной трубки (рис. 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Забор клеток должен быть выполнен сразу после воздействия паттерна. Это позволяет локализовать восстановление клеток до того, как высвобожденные клетки отойдут от облученной области. - Измените режим микроскопа со светлого поля на фильтр FITC или TRITC, чтобы обеспечить визуализацию экспонированной области образца невооруженным глазом.
- Как только открытая область будет обнаружена, поместите конец трубки на облученное место. Затем переключите фильтр микроскопа обратно на светлое поле, чтобы отслеживать извлечение клеток в режиме реального времени.
- С помощью шприца, прикрепленного к другому концу трубки, осторожно извлеките высвободившиеся клетки. Извлеките 200 мкл раствора и вставьте раствор в центрифужную пробирку объемом 1,5 мл для анализа ДНК или нанесения покрытия.