RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ru_RU
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Мы представляем протокол для выполнения субтрактивного структурирования монослоев живых клеток на поверхности. Это достигается путем локального и селективного лизиса адгезивных клеток с помощью микрофлюидного зонда (МФУ). Лизат клеток, полученный из локальных областей, может быть использован для последующего анализа, что позволяет проводить исследования молекулярного профилирования.
Микрожидкостных зонд (МФУ) облегчает выполнение местной химии на биологических субстратов путем ограничения объемов nanoliter жидкостей. Использование одной конкретной реализации MFP, иерархического удержания гидродинамического потока (hHFC), различные жидкости одновременно приводят в контакт с подложкой. Местное химическое воздействие и жидкости формование с использованием hHFC, эксплуатируется для создания шаблонов ячеек локально лизировать и удаления клеток. Используя сканирующий способность MFP, определенные пользователем модели клеточных монослоев созданы. Этот протокол позволяет быстро, в режиме реального времени и пространственно-контролируемую клеток кучность, которые могут позволить исследования взаимодействия селективный межклеточных и клетка-матрица.
В своей родной среде, клетки в биологических тканях воспринимают ряд биохимических и физических репликами направляя их роста, организацию и развитие. Понимание этих реплик требует выборочное исследование межклеточных и клеточно-матриксных взаимодействий. Это требует разработки методов формирования рисунка монослоев клеток. Методы геометрически отдельные различные типы клеток в культуре (структурирование) позволяют широкие исследования физико-химические сигналы в клеточной биологии. Большинство современных подходов к структурирование клеточных слоев 1 - 4 зависит от осаждения клеточной адгезии белков на поверхности или с использованием микроизготовленном трафареты для селективного выращивания на подложках. В противоположность этому , здесь мы представляем метод быстро монослоев образец клеток на месте, т.е. клетки в культуре, путем удаления клеток в отдельных регионах монослоя. Методы , которые выполняют такую отнимающий структурирование 5 - 9 USUALLY требует специальных подложек, обработка поверхности, сложная операция, физический контакт или абляции с помощью лазера, непреднамеренно влияя на живые клетки. Мы здесь используем микрожидком зонд (MFP) 10,11, бесконтактное сканирование микрожидкостных технологии, гидродинамически ограничиваю- жидкости на подложке. Одним из важных компонентов МФП является микроизготовленном головка , содержащая микроканалов (рисунок 1). Соответствующая платформа состоит из шприцевых насосов для жидкости управления, этапы для сканирования и управления инвертированный микроскоп для визуализации и обратной связи (рисунок 2). В базовой конфигурации, головка MFP состоит из двух микроканалов с отверстиями на вершине, один для впрыска жидкости для обработки , а другой для аспирационных впрыскивается обработки жидкости вместе с некоторой иммерсионной жидкостью (рис 3А). Во время работы устройства MFP апекс находится на фиксированном расстоянии от подложки. Когда скорость потока аспирации (Qa) является sufficiently выше , чем скорость впрыска потока (Q I), т.е. Q: с Q я ≥ 2,5, жидкая обработка ограничивается на подложке. Это приводит к камере гидродинамического потока (HFC). Область, в которой обработка жидкость находится в непосредственном контакте с подложкой, называется след. Для типичных условий эксплуатации, поток технологической жидкости в HFC характеризуется низким числом Рейнольдса (Re ≈ 10 -2) , а также ряд высоких Пекле (Пе ≈ 10 2). Это означает, потоки жидкости в ламинарном режиме с конвекцией является основным способом массового переноса химических соединений. Численные и аналитические модели для удержания потока описаны в другом месте 12 - 14.
В данной работе мы используем подход одновременно удерживающих нескольких жидкостей для обработки, которая называется иерархическая HFC (hHFC) 14. Для реализации hHFC с MFP, два additionaл отверстия необходимы для обеспечения дополнительного источника инъекции и аспирации. Это позволяет ограничивать одну жидкость внутри второй жидкости. Внутренние (обработка) жидкие выгоды от экранированы от постороннего мусора на подложке с помощью внешней (экранирования) жидкости. Кроме того, hHFC позволяет работать в двух режимах: (I) вложенная режим, в котором обработка жидкость во внутренних контактов HFC поверхности (фигура 3В), и (II) пережатых режим, в котором внутренняя жидкость теряет контакт и только внешняя жидкость находится в контакте с подложкой (рис 3C). Переключение между двумя режимами позволяет пользователям осуществлять или прекратить обработку подложки и достигается путем регулирования зазора головы до поверхности или путем изменения соотношения между потоками впрыска (Q i2 / Q i1). Для заданной геометрии канала, след технологической жидкости на подложке можно регулировать путем модуляции условий потока (рис 3D). гидр натрияОксид (NaOH), используется в качестве внутренней жидкости для обработки, чтобы лизировать клетки, и лизат непрерывно отсасывают с поверхности. Поскольку химические эффекты технологической жидкости локализуются на внутренней HFC след, соседние клетки остаются невозмущенной, что позволяет пространственно-временные исследования межклеточных взаимодействий. Функциональные возможности сканирования МФУ позволяет создавать определяемые пользователем геометрии образцов клеток (рисунок 4). Кроме того, выбор NaOH в качестве технологической жидкости вмещает вниз по течению анализ ДНК (рисунок 7).
1. МФУ Голова и платформа для очистки и подготовки
Примечание: Этот протокол использует вертикально ориентированный кремний-стекло гибрид МФУ возглавляет 15,16. Компонент кремния головки содержит микроканалы, которые вытравлены на глубину 100 мкм. Протравленная кремния связан со стеклом с помощью анодной сварки. Конструкция канала содержит рисунок , состоящий из шести каналов, два каждый для инъекций и аспирации, а также два для инжекции иммерсионной жидкости (рисунок 1). Каналы, используемые для инъекций иммерсионной жидкости пополнения среды, окружающей биологического образца, что позволит избежать потерь в результате аспирации и испарения. Внутренние каналы и внешние каналы, используемые в текущей работе 100 × 100 мкм и 200 × 100 мкм соответственно. Сообщение изготовление и обработка, МФУ головки с четкими каналами и полированных верхушек получаются.
2. Создание Иерархическая гидродинамического потока конфайнмент (hHFC)
3. паттернирования монослоев клеток Использование hHFC
Примечание: Шаблон сканирования определяет участки клеточного монослоя, где извлекаются клетки (субтрактивная структуризации), в результате чего оставшиеся клетки для изучения конкретных биологических вопросов. Эта модель может быть прямыми линиями или массив точек, например. Сложные структуры требуют проектирования подходящей траектории сканирования. Например, клетчатый траектории сканирования представляет собой сетку из областей клеток (показано, например , на рисунке 4A
4. Обработка Вниз по течению для отбора проб и ДНК-амплификации
Описанный протокол для быстрого субтрактивном паттернировании монослоев клеток демонстрируется с использованием многоступенчатой компонента платформы многофункционального устройства (фиг.1 и 2). Протокол использует иерархическую заключение гидродинамического потока (hHFC; Рисунок 3) для локального лечения и удаления клеток из клеточных монослоев, с использованием NaOH в качестве технологической жидкости. Конфигурация hHFC содержит внутренний ФУВ и внешний ФУВ. Приурочены NaOH во внутреннем hHFC вводит химическое действие и сдвига на клетки в контакте. В пределах этого следа клетки гомогенно подвергаются химическому действию NaOH, вследствие конвекции приводом переноса массы внутри, так и с незначительной диффузии в области вне заключения. Сдвига на клетки, с другой стороны, может быть изменено путем изменения скорости потока раствора NaOH. Для упрощения эксплуатационных параметров, мы решили сделать химическое действие доминирующим механизмом удаления клеток по сравнению с сдвига. коценить усилие сдвига, примененное hHFC на поверхности, модель конечных элементов был построен с использованием COMSOL Multiphysics 5.0. Моделирование проводились с использованием модуля CFD для ламинарных потоков. Два впускных граничные условия для инжекторных отверстий геометрии и двух выходных граничных условий для аспирационных отверстий (рисунок 5) были применены для диапазона скоростей потока и размеров апертуры , используемых в текущей демонстрации. В модели, полученной, правила потока диктовали профиля при сдвиге, в то время как скорость потока определили величину сдвига на поверхности. Практически, комбинация обоих определяет, является ли hHFC контактирует с поверхностью. Имея в виду эти факторы, мы отправляемся, чтобы найти диапазон скоростей потока для работы с целью получения химически доминирующего удаления клеток. Для создания hHFC, мы используем правило потока общей аспирации отношение скорости потока инжекции 3,5. Другие правила потока, используемые были определены, чтобы минимизировать засорение в аспирационных каналах,которое может быть вызвано денатурированных белков, торчащие на поверхности канала. С использованием разработанной модели, мы обнаружили , скорости потока от 5 до 10 мкл / мин перевод до напряжения сдвига между 1 и 3 Н / м 2. Без химического эффекта NaOH, например , в случае буфера для экстракции, напряжение сдвига будет не быть достаточно высокой , чтобы удалить клетки 19. В пределах наблюдаемого диапазона, отметим , что работа при более высоких скоростях потока является более практичным из - за возмущений в канале потока при низких скоростях потока аспирации (т.е. Q I2 <4 мкл / мин) из - за остатков клеток в каналах.
Учитывая изученный профиль сдвига и практические соображения, скорости потока NaOH (Q I2) 6 и 8 мкл / мин используются для экспериментов кучность и Q I1, Q A1 и Q A2 в соответствии с правилами потока , показанных на рисунке 3. Отношение потоков впрыска (Q I2 / Q I1) позволяет Us для дальнейшего модулировать размер hHFC след (рис 3D и фиг.4В), основанную на принципе , разработанном Autebert и др. 14. Использование жидкостного формовочную способность hHFC в сочетании с высоким разрешением сканирования способность MFP платформы, мы демонстрируем поколение сетки живых клеток в различных масштабах и , кроме того , показать применение данного протокола в развитии сотрудничества культур (рис 4в).
Платформа также позволяет выполнять поиск образца лизата для нисходящего анализа. Чтобы показать качество полученного лизата, мы пробовали локально лизируют клетки от одного до пяти отпечатками в двух независимых экспериментах, показывающий изменение в количестве ДНК , полученных из лизата (рисунок 7). Здесь мы амплифицированной ДНК, содержащаяся в лизате с использованием бета-актина праймеров (вперед: GGATGCAGAAGGAGATCACT и обратное: CGATCCACACGGAGTACTTG ) С использованием 4 мкл нейтрализованного лизата в каждой ПЦР-реакции.

Рисунок 1. Модули платформы MFP и головы. (A) Рабочие модули платформы включают моторизованные шприцы, моторизованные этапы и контроллер. МФУ подключен к моторизованным Z-стадии, чтобы контролировать расстояние зазор между головкой и подложкой, а держатель подложки прикреплен к Х- и Y-моторизованных этапов, составляющих систему сканирования. (B) Головка MFP имеет жидкостных ВЬЯС для подключения насосной станции, монтажные отверстия для установки головки на Z-стадии, а также каналы , которые выходит из полированной апекс. Верхушка устанавливается в одной плоскости с подложкой для культивирования клеток. кольца симметрических Ньютона можно наблюдать, когда вершина и подложка расположены в одной плоскости и в контакте. p_upload / 54447 / 54447fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2. Платформа MFP. Платформа сканирования с высоким разрешением оснащена механической обработке головы держатель , взаимодействующий с высокоточным моторизованных Z-стадии. Держатель подложки соединена с стадии XY для сканирования цели. Для восстановления лизата для нисходящего анализа, 3D-печатная станция выборки обрезается магнитным к боковой стороне держателя подложки (как показано на врезке). Шприцевые насосы, инвертированный микроскоп, контроллеры и дисплеи расположены вокруг платформы. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
3 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 54447 / 54447fig3.jpg "/>
Рисунок 3. Иерархическая заключение гидродинамический поток (hHFC) для пространственного и временного контроля удаления клеток. (А) Схема одного HFC. (В) Вложенные и (С) зажат режим работы hHFC. (D) Изображение отпечатка для двух различных соотношениях потока инъекции / аспирации. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4. Образцы клеточных монослоев с использованием MFP. (А) поколение Cell-сетка программируемым сканированием MFP на монослое клеток MDA-MB-231. Клетки окрашивали с зеленым клеток-следящей красителя. (Б) Отпечаток для различных коэффициентов инжекции (п) На клеточный монослой MCF7. Схема показывает ожидаемое изменение в форме внутреннего HFC с изменением п. (C) Узорчатое совместно культуры путем вычитательном паттернировании MCF7 монослоя с последующим посевом клеток MDA-MB-231 в вычитают регионах. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5. Напряжение сдвига на поверхности при нанесении hHFC. Касательное напряжение на поверхности увеличивается линейно с внутренней скоростью инжекции потока. Самая высокая точка сдвига находится между двумя внутренними отверстиями (нижняя правая вставка), где стесненных обработка жидкости (линии красного потока, верхний левый вставка). Размеры диафрагмы, используемые в модели конечных элементов являются 200, 100, 100 и 200 мкм для i1, i2, a1и a2 соответственно. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6. Рабочие режимы платформы MFP для выполнения удаления клеток и кучность стрельбы . (А) Схема пути потока для субтрактивном кучность по лизису клеток. Для простоты, только одна из каждой инъекции и аспирации потока путей показаны. Шприцы заполнены с помощью дренажного клапана в насосе. i1 и i2 используются для инъекционного буфера для экстракции и NaOH, соответственно. (Б) Схематическое изображение пути потока для восстановления лизата. Этот путь потока активируется после сбора клеточного лизата для анализа с использованием канала потока на стадии (а). Пожалуйста , КлиКK здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 7. Downstream анализ ДНК из лизата клеток с использованием КПЦР. (А) Amplification участки ДНК в лизате , извлеченной из 5 следов (5 Fp) и 1 след (1 Fp). Органы управления были извлечены после сбора лизата для обоих случаев. (Б) Melt кривые ДНК , амплифицированного из лизата , показывающий качество экстрагированной ДНК. КПЦР проводили (N = 2, п = 3) для амплификации бета-актина ген. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок S1. Уменьшенная изображение конструкции канала для MFP головки 6-канальногоиспользуемые для формирования паттерна экспериментов. Каналы , осуществляющие hHFC 200, 100, 100, 200 мкм в ширину и 100 мкм в глубину. Два крайних каналов, которые пополняются иммерсионной жидкости 500 мкм в ширину и 100 мкм в глубину. Файл GDS для той же конструкции были предоставлены в качестве дополнительной к этой статье. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Авторам нечего раскрывать.
Мы представляем протокол для выполнения субтрактивного структурирования монослоев живых клеток на поверхности. Это достигается путем локального и селективного лизиса адгезивных клеток с помощью микрофлюидного зонда (МФУ). Лизат клеток, полученный из локальных областей, может быть использован для последующего анализа, что позволяет проводить исследования молекулярного профилирования.
Эта работа была поддержана стартовым грантом Европейского исследовательского совета (ERC) в рамках7-й Рамочной программы (проект No 311122, BioProbe). Мы благодарим д-ра Жюльена Отебера и Марселя Бюрге за техническую помощь и обсуждения в ходе разработки протокола и платформы. Профессор Петра Дитрих (ETH Zurich), профессор Брэдли Нельсон (ETH Zurich), доктор Бруно Мишель и доктор Вальтер Рисс благодарны за их постоянную поддержку.
| Materials | |||
| Microfluidic Probe (MFP) | Гибридная головка зонда из кремния/стекла с каналами, выполненными из кремния. Изготовление выполнено на предприятии IBM Research - Zü богатые | ||
| предметные стекла Lab Tek II Chamber с 2 камерами | ThermoFisher научные, США | 154461 | 2 камерные предметные стекла для клеточных культур, каждая из которых обеспечивает площадь 4 см2 и способна удерживать до 3 мл среды volume |
| Химикаты и клеточные линии | |||
| Sodium Hydroxide, Tris-Cl, этилендиаминтетрауксусная кислота, ромамин B | SigmaAldrich chemicals, США | S5881, 252859, E9884, R6626 | Химикаты, используемые для обработки и защиты жидкостей |
| Proteinase K | Qiagen, | Германия 19131 | Протеаза для переваривания денатуирующих белков |
| Deconex 16 Plus | Bohrer Chemie, Швейцария | Универсальное чистящее средство для лабараторных расходных материалов. Используется для нестрогой очистки. | |
| ДНК прочь | ThermoFisher scientific, США | 7010 | Обеззараживатель поверхности, денатурирующий ДНК и ДНКазы. |
| DMEM, с высоким содержанием глюкозы, добавка GLUTAMAX | ThermoFisher scientific, США | 10566-016 | Питательная среда для эпителиальных клеток. |
| Краситель CellTracker Green CMFDA | ThermoFisher scientific, США | C7025 | Мембранный краситель для мечения живых клеток. Краситель активен в течение 72 часов. |
| Краситель CellTracker Orange CMRA | ThermoFisher scientific, США | C34551 | |
| β-актиновые геномные праймеры для qPCR | Integrated DNA technologies, США | Пользовательские олигопласты используются для проверки качества ДНК и количественной ПЦР. | |
| Клетки карциномы молочной железы MCF7 | ATCC, США | ATCC HTB-22 | Клеточные линии, используемые для производства кокультур. |
| MDA-MB-231 клетки карциномы молочной железы | ATCC, США | ATCC HTB-26 | |
| Оборудование и жидкостные соединения | |||
| >Моторизованные высокоточные ступени | Изготовленные на заказ компоненты. Линейные осевые двигатели от LANG GmBH, Германия | Индивидуальные линейные осевые столики от LT серии | 3 & раз; LT для 3 осей. Контроллер LSTEP используется для сопряжения столиков и ПК через порт RS 232. |
| Шприцы | Hamilton, Швейцария | 1700 серии TLLX | Взаимозаменяемы со шприцами других производителей с 250-500 & микро ... l диапазона. |
| Nemesys шприцевые насосы низкого давления | cetoni GmbH, Германия | Компонент насосной станции. | |
| Круглый M1-коннектор | Dolomite microfluidics, Великобритания | 3000051 | Интерфейс между переходными отверстиями в головке МФУ и трубкой |
| Наклон/поворотный столик Гониометр | OptoSigma, США | Гониометр KKD-25C | для регулировки компланарности вершины МФУ |
| DS Fi2 HD цветная камера (ПЗС) | Nikon, Швейцария | Управляется с помощью контроллера DS-U3 unit | |
| Software | |||
| Win - Commander | LANG GmBH, Германия | Программное обеспечение для управления сценой. | |
| Qmix Elements | cetoni GmbH, Германия | Программное обеспечение для управления насосом. | |
| NIS Elements | Nikon, Швейцария | Модуль фундаментальных исследований для получения и анализа изображений. | |