Клеточная инвазия является важным процессом, который позволяет клеткам пересекать барьеры базальной мембраны в ответ на сигналы окружающей среды, предоставляемые стромальными клетками. Это важный шаг на нескольких этапах развития иммунных реакций, заживления ран, восстановления тканей и злокачественных новообразований, которые могут прогрессировать от локальных поражений до инвазивного и метастатического рака1. Анализы, разработанные на ранней стадии для измерения инвазивного потенциала клеточных популяций, обычно генерируют измерение одной конечной точки или требуют предварительной маркировки инвазивных клеток2. Интеграция методов микроэлектроники и микрофлюидики в настоящее время разрабатывается для обнаружения различных аспектов клеточной биологии, таких как жизнеспособность, движение и прикрепление, с использованием электрического импеданса живых клеток на микроэлектродах 3,4. Измерение импеданса позволяет проводить безметочную, неинвазивную и количественную оценку состояния клеток3. Здесь мы описываем трехкамерный массив, основанный на конструкции системы анализа клеток реального времени (RTCA), которая была разработана Abassi et al.5. Трехкамерный массив позволяет оценивать совместно культивируемые клетки при клеточной инвазии и восстановлении инвазивных клеток для дополнительного анализа или расширения.
В системе клеточного анализатора клетки проникают через внеклеточный матрикс, покрытый пористой мембраной, и достигают междигитированного электродного массива, расположенного на противоположной стороне барьера. Поскольку инвазивные клетки продолжают присоединяться и занимать этот электродный массив с течением времени, электрическое сопротивление изменяется параллельно. Нынешняя система содержит инвазию и миграцию ячеек (CIM) из 16-луночной пластины с двумя камерами. Прибор RTCA-DP (двойного назначения) (далее называемый анализатором ячеек двойного назначения) содержит датчики для измерения импеданса и интегрированное программное обеспечение для анализа и обработки данных об импедансе. Значения импеданса на исходном уровне зависят от ионной прочности среды в скважинах и изменяются по мере присоединения ячеек к электродам. Изменения импеданса зависят от количества ячеек, их морфологии и степени, в которой ячейки прикрепляются к электродам. Измерение скважин средой до добавления ячеек рассматривается как фоновый сигнал. Фон вычитается из измерений импеданса после достижения равновесия с прикреплением и распространением ячеек на электроды. Безудельный параметр состояния ячеек на электроде, называемый Cell Index (CI), рассчитывается следующим образом: CI = (импеданс после равновесия - импеданс при отсутствии ячеек) / номинальное значение импеданса6. При сравнении скоростей миграции различных клеточных линий Delta CI можно использовать для сравнения состояния клеток независимо от разницы в прикреплении, представленной в первых нескольких измерениях.
Недавно разработанный трехкамерный массив основан на существующей конструкции и использует верхнюю камеру от системы анализатора ячеек двойного назначения, которая содержит электроды. Модифицированные средняя и нижняя камеры адаптированы для установки сборки в анализатор ячеек двойного назначения для измерения и анализа импеданса с использованием интегрированного программного обеспечения. Двумя основными достижениями, которые новая конструкция обеспечивает по сравнению с существующей двухкамерной CIM-пластиной (впредь называемой пластиной клеточного анализатора), являются: i) способность восстанавливаться, а затем анализировать инвазивные клеточные субпопуляции, которые присутствуют в гетерогенных клеточных смесях, и ii) возможность оценки влияния секретируемых факторов из совместно культивируемых стромальных или иммунных клеток на инвазию клеток (рисунок 1).
Эта технология может быть полезна при изучении субпопуляций клеток с различной инвазивной способностью. Это включает в себя (a) инвазивные раковые клетки, которые вторгаются в окружающие ткани или кровеносные и лимфатические сосуды или экстравазируются в местах метастатического посева в отдаленных органах, (b) клетки иммунной системы, которые вторгаются в ткани для борьбы с патогенами или больными клетками, (c) эндотелиальные клетки, которые вторгаются в ткани с образованием новых кровеносных сосудов во время реорганизации тканей или заживления ран, а также (d) стромальные клетки из микроокружения опухоли, которые поддерживают и вторгаются вместе с раковыми клетками. Этот подход позволяет включить стромальные перекрестные помехи, которые могут модулировать подвижность и инвазию клеток. Технико-экономические обоснования, показанные здесь, используют этот модифицированный массив, ориентированный на инвазию раковых клеток и взаимодействие со стромой в качестве модельной системы, включая эндотелиальную инвазию в ответ на дифференциальные сигналы от раковых клеток. Этот подход может быть экстраполирован для выделения раковых клеток и других типов клеток, таких как субпопуляции иммунных клеток, фибробластов или эндотелиальных клеток. Мы протестировали инвазивные и неинвазивные установленные клеточные линии рака молочной железы в качестве доказательства принципа. Мы также использовали клетки из инвазии ксенотрансплантата (PDX), полученные от пациента, в ответ на иммунные клетки из костного мозга человека, чтобы показать возможность будущего использования также в клинических диагностических условиях. PDX - это опухолевые ткани пациента, которые имплантируются в модель мышей с ослабленным иммунитетом или гуманизированным иммунитетом, чтобы обеспечить изучение роста, прогрессирования и вариантов лечения для исходного пациента 7,8.