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
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Hongmei Chen1, Yufeng Han1, Qingli Li2, Yong Zou1, Shuangshou Wang3, Xiaodong Jiao4
1School of Microelectronics and Data Science,Anhui University of Technology, 2Shanghai Key Laboratory of Multidimensional Information Processing,East China Normal University, 3School of Chemistry and Chemical Engineering,Anhui University of Technology, 4Department of Medical Oncology,Changzheng Hospital
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Клинический микрофлюидный чип является важным методом биомедицинского анализа, который упрощает предварительную обработку образцов крови клинического пациента и иммунофлуоресцентно окрашивает циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) in situ на чипе, что позволяет быстро обнаруживать и идентифицировать один ЦОК.
Циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) играют важную роль в прогнозе рака, диагностике и противораковой терапии. Перепись ЦОК имеет жизненно важное значение для определения заболевания пациента, поскольку ЦОК редки и неоднородны. ЦОК отделяются от первичной опухоли, попадают в систему кровообращения и потенциально растут в отдаленных местах, тем самым метастазируя опухоль. Поскольку ЦОК несут информацию, аналогичную первичной опухоли, выделение ЦОК и последующая характеристика могут иметь решающее значение для мониторинга и диагностики рака. Перечисление, аффинная модификация и клиническое иммунофлуоресцентное окрашивание редких ЦОК являются мощными методами выделения ЦОК, поскольку они обеспечивают необходимые элементы с высокой чувствительностью. Микрофлюидные чипы предлагают метод жидкой биопсии, который не вызывает боли у пациентов. В этой работе мы представляем список протоколов для клинических микрофлюидных чипов, универсальной платформы для выделения ЦОК, которые включают в себя набор функций и сервисов, необходимых для разделения, анализа и ранней диагностики ЦОК, тем самым облегчая биомолекулярный анализ и лечение рака. Программа включает в себя подсчет редких опухолевых клеток, предварительную обработку крови клинического пациента, которая включает лизис эритроцитов, а также выделение и распознавание ЦОК in situ на микрофлюидных чипах. Программа позволяет точно подсчитывать опухолевые клетки или CTCs. Кроме того, программа включает в себя инструмент, который включает в себя выделение CTC с помощью универсальных микрофлюидных чипов и иммунофлуоресцентную идентификацию in situ на чипах с последующим биомолекулярным анализом.
Циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) играют важную роль в прогнозе рака, диагностике и противораковой терапии. Перечисление CTC имеет жизненно важное значение, поскольку CTC редки и неоднородны. Перечисление, аффинная модификация и клиническое иммунофлуоресцентное окрашивание редких ЦОК являются мощными методами выделения ЦОК, поскольку они содержат необходимые элементы с высокойчувствительностью1. Редкое количество опухолевых клеток, смешанных с нормальной кровью, очень близко имитирует настоящую кровь пациента, так как 2-3 мл настоящей крови пациента содержат только 1-10 ЦОК. Для решения критической экспериментальной задачи вместо использования большого количества опухолевых клеток, введенных в PBS или смешанных с нормальной кровью, использование редкого количества опухолевых клеток обеспечивает нам низкое количество клеток крови, что ближе к реальности при проведении эксперимента.
Рак является основной причиной смерти в мире2. ЦОК представляют собой опухолевые клетки, выделяющиеся из исходной опухоли, которые циркулируют в системах кровообращения и лимфатического кровообращения3. Когда ЦОК перемещаются в новую среду обитания, они растут как вторая опухоль. Это называется метастазированием и является причиной 90% смертей у онкологических больных4. ЦОК жизненно важны для прогнозирования, ранней диагностики и понимания механизмов развития рака. Однако ЦОК крайне редки и неоднородны в крови пациента 5,6.
Микрофлюидные чипы обеспечивают жидкостную биопсию, которая не проникает в опухоль. Их преимущество заключается в том, что они портативны, недороги и имеют масштабы, соответствующие ячейкам. Выделение ЦОК с микрофлюидными чипами классифицируется в основном на два типа: аффинные, основанные на связывании антиген-антитела 7,8,9 и являющиеся оригинальным и наиболее широко используемым методом выделения ЦОК; и физические чипы, которые используют различия в размерах и деформируемости между опухолевыми клетками и клетками крови 10, 11, 12, 13, 14, 15, не имеют меток и просты в эксплуатации. Преимущество микрофлюидных чипов перед альтернативными методами заключается в том, что физический подход к многоэллипсным микрофильтрам надежно улавливает CTC с высокой эффективностью улавливания. Причина этого заключается в том, что эллипсовые микростолбы организованы в узкие туннели разрывов между линиями. Межлинейные зазоры отличаются от традиционных точечных зазоров, образованных микростолбами, такими как ромбовые микростолбы. Захват CTC на основе волнового чипа сочетает в себе изоляцию на основе физических свойств и изоляцию на основе сходства. Захват на основе волнового чипа включает в себя 30 волнообразных матриц с антителом анти-EpCAM, покрытым круглыми микроштифтами. CTC улавливаются маленькими зазорами, а большие зазоры используются для ускорения скорости потока. Пропущенные CTC должны пройти через небольшие зазоры в следующем массиве и захватываются изоляцией на основе сходства, интегрированной в микросхему16.
Целью протокола является демонстрация подсчета редкого количества опухолевых клеток и клинического анализа ЦОК с помощью микрофлюидных чипов. Протокол описывает этапы выделения ЦОК, способы получения низкого количества опухолевых клеток, клиническое физическое разделение фильтров с малым эллипсом, фильтров с большим эллипсом и трапециевидных фильтров, модификацию сродства и обогащение17.
Образцы крови пациентов были предоставлены больницей Лунхуа, аффилированной с Шанхайским медицинским университетом.Протокол соответствует рекомендациям комитета по этике исследований на людях Третьей больницы Пекинского университета. От пациентов было получено информированное согласие на использование образцов в исследовательских целях.
1. Предварительный эксперимент по проверке эффективности захвата культивируемыми опухолевыми клетками
2. Клинический эксперимент на чипе для подсчета циркулирующих опухолевых клеток (ЦОК)
Вся установка включает в себя шприцевой насос, шприц и микрофлюидный чип. Клеточная суспензия в шприце соединяется со шприцевым насосом, и клеточная суспензия вводится в микрофлюидный чип для захвата клеток. Эффективность захвата для всех используемых микрофлюидных чипов составила около 90% или выше. Для волнового чипа мы спроектировали микроструктуры с различными зазорами. Малые зазоры используются для захвата CTC, а большие зазоры используются для ускорения скорости потока. Клеточная суспензия быстро течет в больших зазорах. Пропущенные CTC, как правило, захватываются небольшими пробелами в последующем массиве16. Для чипов эллипса мы разработали зазоры между линиями вместо зазоров между точками и точками, чтобы сформировать тонкий туннель для улучшения захвата. Таким образом, была достигнута высокая эффективность захвата1. Мы разработали эллипсовую структуру, чтобы избежать краев и углов, чтобы сохранить жизнеспособность. Трапециевидные фильтры имеют два круглых спиральных канала со встроенными трапециевидными и круговыми микростолбовыми барьерами. Для трапециевидных фильтров эффективность улавливания для MCF-7, MDA-MB-231 и HeLa составила 94%, 95% и 93% соответственно18.
На рисунке 1 видно, что все опухолевые клетки были захвачены волновым чипом. Поскольку все опухолевые клетки были сконцентрированы вокруг массива волновых микропостов, это указывает на высокую эффективность захвата этого микрофлюидного чипа, о чем свидетельствует количество захваченных опухолевых клеток. Таким образом, такая установка значительно облегчает захват редких опухолевых клеток; Действительно, чип изготовлен для захвата большого количества опухолевых клеток, а также редкого количества опухолевых клеток. Например, если чип достаточно прочный или воспроизводимый, чтобы захватить 10 000 опухолевых клеток, чипу легко захватить 10-100 клеток. На видео 1 показано, как было получено редкое количество опухолевых клеток для предварительного эксперимента. Полая игла, изготовленная с помощью съемника микропипетки, использовалась для аспирации 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 опухолевых клеток из чашки с разбавленными опухолевыми клетками, окрашенными кальцеином AM в PBS. Клетки поглощались силикагелевой трубкой, соединенной с полой иглой. Опухолевую клетку с зеленым иммунофлуоресценцией отсасывали в полую иглу. Вдувание в полую пробирку приводило к тому, что опухолевая клетка внутри полой иглы выгружалась в микроцентрифужную пробирку1. Это процедура получения редких опухолевых клеток. На рисунке 2 показаны ЦОК пациента с раком желудка, полученные с помощью микрофильтров с малым эллипсом. На рисунке 3 показаны ЦОК пациента с колоректальным раком, полученные с помощью трапециевидных микрофильтров и излучающие как синюю, так и зеленую флуоресценцию. На рисунке 4 показаны опухолевые клетки, выращенные на чипе после захвата, которые готовы к лечению противораковым препаратом. Эти результаты показывают, что микрофильтры с большим эллипсом не оказывают никакого негативного влияния на жизнеспособность клеток.
На рисунке 5 показан клинический иммунофлуоресцентный анализ колоректальных ЦОК, захваченных на микрофлюидном чипе. Они видны в светлом поле и окрашены окрашиванием Hoechst, CK-FITC и CD45-PE. CTCs были идентифицированы как DAPI+/CK+/CD45−, а лейкоциты были идентифицированы как DAPI+/CK−/CD45+. На рисунке 6 показаны клетки колоректальной опухоли, культивируемые на чипе большого эллипса после захвата. На рисунке 7 показаны клетки колоректальной опухоли, захваченные на микрофильтрах большого эллипса. Клинически ЦОК в крови пациента улавливались волновыми чипами, трапециевидными микрофильтрами и микрофильтрами с большим эллипсом, что указывает на то, что эти три чипа успешно захватывают ЦОК. Потенциально они могут быть применены в продуктах СТК, таких как продукты для выделения ЦОК, с высокой эффективностью.

Рисунок 1: Захват волнового чипа. Все опухолевые клетки MCF-7 были захвачены вокруг массива волнового чипа без каких-либо отсутствующих клеток. Поскольку ни в одной другой области, кроме матрицы, не было никаких опухолевых клеток, это говорит о высокой эффективности захвата чипа. Было захвачено большое количество опухолевых клеток. Таким образом, редкие опухолевые клетки также могут быть легко захвачены. Опухолевые клетки MCF-7 захватывали волновым чипом и (А) окрашивали Хёхстом и (Б) окрашивали кальцеином АМ. Масштабная линейка: 100 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Клинический образец ЦОК, захваченный микрофильтрами с малым эллипсом. Клинические ЦОК пациента с раком желудка, захваченные микрофильтрами с малым эллипсом. ЦОК были идентифицированы в светлом поле и с синей и зеленой флуоресценцией. Синий кружок на рисунке (А) обозначает КТК пациента с раком желудка, захваченный внутри чипа. На сделанных снимках видно, что ни в каких других областях не было других ячеек, что указывает на высокую чистоту захвата для этого чипа. Опухолевые клетки MCF-7 захватывали мелкоэллипсовыми микрофильтрами и наблюдали в (А) светлопольном поле, (Б) окрашивали по Хёхсту и (В) окрашивали КФК-FITC. Масштабная линейка: 20 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Клинический образец ЦОК, захваченных трапециевидными микрофильтрами. Клинические ЦОК пациента с колоректальным раком улавливали трапециевидными микрофильтрами. На этих изображениях видно, что было захвачено шесть CTC, что указывает на высокую эффективность захвата на небольшом поле. Кроме того, никаких других ячеек не появилось, что указывает на то, что чистота захвата была чрезвычайно высокой для этого чипа. Опухолевые клетки MCF-7 захватывали трапециевидными микрофильтрами и наблюдали в (А) светлом поле, (Б) окрашивали по методу Хёхста и (В) окрашивали КФК-ФИТК. Масштабная линейка: 20 мкм Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Культура ЦОК, захваченных крупноэллипсовыми микрофильтрами. Опухолевые клетки MCF-7 захватывали большими эллипсовыми микрофильтрами перед массивом больших эллипсовых микропостов. Ни одна опухолевая клетка не прошла через матрицу, что указывает на высокую эффективность захвата для этого чипа. После захвата опухолевые клетки росли в течение 24-48 ч. Это указывает на то, что эффективность улавливания и жизнеспособность были очень высокими для микрофильтров с большим эллипсом. Культивируемые опухолевые клетки MCF-7 захватывали с помощью микрофильтров с большим эллипсом и наблюдали через (A) 0 ч после захвата, (B) через 24 ч после захвата и (C) через 48 ч после захвата. Масштабная линейка: 50 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Пример клинического образца, используемого для захвата ЦОК трапециевидными микрофильтрами. Клинические ЦОК пациента с колоректальным раком улавливали трапециевидными микрофильтрами. На этих изображениях видно, что были захвачены два CTC, что указывает на высокую эффективность захвата. Никаких других клеточных нарушений, кроме остатков эритроцитов в чипе, не было. Таким образом, для клинической предварительной обработки захвата ЦОК лучше не использовать лизис эритроцитов. ЦОК колоректального рака улавливали трапециевидными микрофильтрами и наблюдали в (A) светлом поле, (B) окрашивали по Hoechst, (C) окрашивали CK-FITC и (D) видели на объединенных изображениях. Масштабная линейка: 20 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Пример культивируемых CTC, захваченных чипом с большим эллипсом. Культуры опухолевых клеток клеток MCF-7 перед массивом микропостов с большим эллипсом и за микрофильтрами с большим эллипсом. Опухолевые клетки, окрашенные кальцеином AM, излучающим зеленую флуоресценцию, росли так, как хотелось, что указывает на то, что жизнеспособность клеток для этого чипа была очень высокой. Всего было 15 массивов, с различными промежутками для каждого массива, организованными микропостами большого эллипса. Опухолевые клетки MCF-7 культивировали на чипе большого эллипса после захвата (А) в одном массиве и (Б) в другом. Масштабная линейка: 50 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 7: Пример клинического образца, используемого для захвата ЦОК с помощью крупноэллипсовых микрофильтров. Клинические ЦОК от пациента с колоректальным раком улавливали с помощью микрофильтров с большим эллипсом. На снимках видно, что произошло загрязнение эритроцитами. Это указывает на то, что образец крови пациента должен быть разбавлен, а чип должен быть промыт после захвата. ЦОК образцов крови пациентов с клиническим колоректальным раком были захвачены на чипе большого эллипса и видны в (A) светлом поле, (B) окрашены Hoechst и (C) окрашены CK-FITC. Масштабная линейка: 100 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Авторам нечего раскрывать.
Клинический микрофлюидный чип является важным методом биомедицинского анализа, который упрощает предварительную обработку образцов крови клинического пациента и иммунофлуоресцентно окрашивает циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК) in situ на чипе, что позволяет быстро обнаруживать и идентифицировать один ЦОК.
Эта исследовательская работа была поддержана Аньхойским фондом естественных наук Китая (1908085MF197, 1908085QB66), Национальным фондом естественных наук Китая (21904003), Научно-исследовательским проектом Тяньцзиньской комиссии по образованию (2018KJ154), Провинциальной программой естественнонаучных исследований высших учебных заведений провинции Аньхой (KJ2020A0239) и Шанхайской ключевой лабораторией многомерной обработки информации, Восточно-китайской ключевой лабораторией многомерной информации Обработка, Восточно-Китайский педагогический университет (MIP20221).
| Кальцеин AM | BIOTIUM | 80011 | |
| калиброванный микрокапиллярный пипетки | Sigma- Aldrich | P0799 | |
| CD45-PE | BD Biosciences | 560975 | |
| CK-FITC | BD Biosciences | 347653 | цитокератином моноклональным антителом |
| DMEM | HyClone | SH30081.05 | |
| фетальной бычьей сыворотки (FBS) | GIBCO, США | 26140 | |
| Hoechst 33342 | Молекулярные зонды, Solarbio Corp., Китай | C0031 | |
| пенициллин-стрептомицин | Ying Надежная биотехнология, Китай | ||
| лиз эритроцитов (RBCL) | Solarbio, Пекин | R1010 |