Микрофлюидный подход к разрешению одномоментной и последовательной секреции цитокинов отдельных полифункциональных клеток
March 8th, 2024
Протокол описывает усовершенствованную микрофлюидную платформу для количественного измерения динамики секреции цитокинов отдельными мононуклеарными клетками периферической крови человека. Платформа измеряет до трех цитокинов параллельно (IL-6, TNFα и IL-1β) для каждой отдельной клетки, стимулируемой липополисахаридом в качестве примера.
В этом проекте мы сосредоточимся на разработке и применении новых аналитических стратегий, которые позволяют проводить прямой, количественный и глубокий анализ клеточных функций с разрешением для одной клетки. Таким образом, выходя за рамки измерения по одной точке данных, мы стремимся лучше понять и использовать эту многофункциональность, которая возникает в результате сложных реакций в организме хозяина и в тканях. Получить всестороннее понимание этих функциональных возможностей сложно, трудно и требует междисциплинарных подходов.
Таким образом, одной из задач в этом контексте является обеспечение того, чтобы динамический диапазон разрабатываемого анализа был адекватным для учета количества и динамики секретируемого белка, которая может сильно варьироваться в зависимости от образцов, препаратов и тканей. Нарушение регуляции иммунного ответа может вызвать различные расстройства, приводящие к легкой лихорадке и потенциально опасным для жизни осложнениям. Выходя за рамки традиционных измерений конечных точек, мы предложили напрямую измерять дисрегуляцию и активацию иммунных клеток динамически на уровне отдельных клеток, чтобы получить дополнительную информацию.
Таким образом, цитокины обычно обнаруживаются в определенный момент времени в виде концентрации в надосадочной жидкости или концентрации активированных клеток. Объемное измерение непосредственно для количественной оценки секреции каждой отдельной клетки, маскируя клеточную гетерогенность, которая, как конечная точка, не делает различий между одновременной и вторичной секрецией. Если не учитывать динамический аспект реакции, то полная клеточная функциональность относится к способности иммунной клетки секретировать несколько цитокинов одновременно.
Это позволяет им точно настраивать свой ответ на угрозы, например, и измерять эту полифункциональность в динамике, что означает, что со временем может дать более полное представление о различных нюансах иммунного ответа.
Обзор
Это исследование представляет передовую микрофлюидную платформу, предназначенную для количественного измерения динамики секреции цитокинов на уровне одной клетки. Платформа позволяет одновременно измерять три цитокина (IL-6, TNF伪, и IL-1尾) из индивидуальных периферических мононуклеарных клеток крови человека, стимулированных липополисахаридом.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Иммунология
- Микрофлюидика
Фон
- Понимание динамики цитокинов важно для понимания иммунных реакций.
- Традиционные методы часто не учитывают клеточную гетерогенность и динамические реакции.
- Анализ на уровне одной клетки обеспечивает более глубокое понимание функциональности иммунных клеток.
- Нарушение иммунной регуляции может привести к различным расстройствам.
Цель исследования
- Разработать метод для реального измерения секреции цитокинов на уровне одной клетки.
- Захватить динамический диапазон секреции цитокинов в различных образцах.
- Улучшить понимание полифункциональности иммунных клеток.
Использованные методы
- Микрофлюидный чип для анализа на уровне одной клетки.
- Использование функционализированных наночастиц для обнаружения цитокинов.
- Динамическое управление потоком для установления стабильного производства капель.
- Количественное измерение секреции цитокинов во времени.
Основные результаты
- Платформа успешно измеряет секрецию цитокинов из отдельных клеток.
- Достигнуто одновременное обнаружение нескольких цитокинов.
- Динамический анализ дал представление об иммунных реакциях клеток.
- Результаты указывают на важность измерений на уровне одной клетки в иммунологии.
Выводы
- Разработанная микрофлюидная платформа является ценным инструментом для исследований в области иммунологии.
- Анализ на уровне одной клетки может предоставить важные представления о поведении иммунных клеток.
- Этот подход может привести к лучшему пониманию иммунных расстройств.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Resolving the simultaneous and sequential secretion of cytokines at single-cell resolution addresses a critical gap in immune response characterization for drug discovery. This microfluidic droplet platform enables quantitative, time-resolved analysis of polyfunctional immune cells, supporting predictive confidence in target validation and mechanistic de-risking. Its modularity and multiplexing capacity position it as a reusable asset for immunology-focused R&D pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct interrogation of immune cell polyfunctionality and cytokine pathway engagement.
- Supports biological de-risking by distinguishing simultaneous versus sequential cytokine secretion at the single-cell level.
- Improves predictive confidence in immune target selection and triage of candidate mechanisms.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, multiplexed single-cell assays for downstream compound screening workflows.
- Delivers quantitative, time-resolved cytokine measurements to standardize assay outputs.
- Facilitates reproducible detection of phenotypic heterogeneity in immune cell populations.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant immune models by capturing dynamic cytokine interplay in primary human cells.
- Enables translational biomarker discovery through high-content single-cell secretion profiles.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by revealing functional immune heterogeneity relevant to therapeutic response.
Pipeline & Workflow Integration
This microfluidic platform integrates from early discovery through preclinical research, bridging hypothesis-driven immune target validation to translational biomarker identification.
- Discovery Biology: Quantifies dynamic cytokine secretion to clarify immune pathway activation and de-risk target hypotheses.
- Screening: Provides multiplexed, reproducible single-cell assay outputs for compound evaluation.
- Analytics: Generates quantitative, time-resolved readouts enabling robust comparison of immune cell responses.
- Translational Research: Connects single-cell secretion dynamics to disease-relevant immune modulation and biomarker strategies.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, adaptable platform for diverse protein and cell sample analyses across programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in immune target validation.
- Operational Value: Standardizes and scales single-cell cytokine assays for reproducible, high-content data generation.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and capital-efficient portfolio progression by revealing functional immune heterogeneity.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of immunology-focused assets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, immunoassay development, and quantitative image analysis.
- Demands access to fluorescence microscopy and automated imaging infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of assay calibration and data analysis workflows.
- Adaptable to various cytokines and cell types with appropriate assay reconfiguration.
- Dynamic range and sensitivity must be validated for each new application or sample type.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:04
Observation Chamber Fabrication for Imaging Single‐Cell Suspensions and Magnetic Nanoparticles
3:50
Preparation of Functionalized Magnetic Nanoparticles for Time‐Resolved Fluorescent Imaging
5:33
Encapsulation of the Cells and Nanoparticles into Droplets for Fluorescent Imaging
