Микрофлюидный подход к разрешению одномоментной и последовательной секреции цитокинов отдельных полифункциональных клеток
8 марта 2024 г.
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
В данном исследовании представлена усовершенствованная микрофлюидная платформа, предназначенная для количественного измерения динамики секреции цитокинов на уровне отдельных клеток. Платформа позволяет одновременно измерять уровни трех цитокинов (IL-6, TNFα и IL-1β), секретируемых отдельными мононуклеарными клетками периферической крови человека, стимулированными липополисахаридом.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Иммунология
- Микрофлюидика
Теоретическая справка
- Понимание динамики цитокинов имеет решающее значение для изучения иммунных ответов.
- Традиционные методы часто не учитывают клеточную гетерогенность и динамические ответы.
- Анализ на уровне отдельных клеток обеспечивает более глубокое понимание функциональности иммунных клеток.
- Нарушение иммунной регуляции может привести к развитию различных заболеваний.
Цель исследования
- Разработать метод измерения секреции цитокинов на уровне отдельных клеток в режиме реального времени.
- Зафиксировать динамический диапазон секреции цитокинов в различных образцах.
- Углубить понимание полифункциональности иммунных клеток.
Используемые методы
- Разработка микрофлюидного чипа для анализа отдельных клеток.
- Использование функционализированных наночастиц для детекции цитокинов.
- Динамический контроль потока для обеспечения стабильного производства капель.
- Количественное измерение секреции цитокинов с течением времени.
Основные результаты
- Платформа успешно измеряет секрецию цитокинов отдельными клетками.
- Было достигнуто одновременное определение нескольких цитокинов.
- Динамический анализ позволил получить новые данные об иммунных ответах клеток.
- Результаты указывают на важность измерений на уровне отдельных клеток в иммунологии.
Выводы
- Разработанная микрофлюидная платформа является ценным инструментом для иммунологических исследований.
- Анализ единичных клеток может дать критически важную информацию о поведении иммунных клеток.
- Данный подход может привести к лучшему пониманию расстройств, связанных с иммунной системой.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Разрешение одновременной и последовательной секреции цитокинов на уровне отдельных клеток устраняет критический пробел в характеристике иммунного ответа, необходимый для разработки новых лекарственных препаратов. Эта микрофлюидная капельная платформа позволяет проводить количественный анализ полифункциональных иммунных клеток с временным разрешением, что повышает прогностическую достоверность при валидации мишеней и снижении механистических рисков. Модульность и возможность мультиплексирования делают эту платформу универсальным инструментом для научно-исследовательских циклов в области иммунологии.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Позволяет напрямую оценивать полифункциональность иммунных клеток и задействование цитокиновых путей.
- Способствует снижению биологических рисков путем разграничения одновременной и последовательной секреции цитокинов на уровне отдельных клеток.
- Повышает достоверность прогнозов при выборе иммунных мишеней и сортировке потенциальных механизмов.
Скрининг и разработка анализа
- Подготовка валидированных мультиплексных анализов единичных клеток для последующих рабочих процессов скрининга соединений.
- Получение количественных временных измерений цитокинов для стандартизации результатов анализа.
- Обеспечение воспроизводимого обнаружения фенотипической гетерогенности в популяциях иммунных клеток.
Трансляционные и доклинические исследования
- Соответствует иммунологическим моделям заболеваний за счет фиксации динамического взаимодействия цитокинов в первичных клетках человека.
- Обеспечивает поиск трансляционных биомаркеров с помощью высококонтентного профилирования секреции на уровне отдельных клеток.
- Поддерживает принятие решений о продвижении разработки с учетом рисков, выявляя функциональную иммунную гетерогенность, имеющую значение для терапевтического ответа.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данная микрофлюидная платформа обеспечивает интеграцию всех этапов — от первичного поиска до доклинических исследований, связывая валидацию иммунных мишеней на основе гипотез с идентификацией трансляционных биомаркеров.
- Биология открытий: количественное определение динамики секреции цитокинов для выяснения механизмов активации иммунных путей и снижения рисков при проверке гипотез о мишенях.
- Скрининг: обеспечение мультиплексных, воспроизводимых результатов анализа отдельных клеток для оценки соединений.
- Аналитика: получение количественных данных с временным разрешением, позволяющих проводить надежное сравнение ответов иммунных клеток.
- Трансляционные исследования: установление связи между динамикой секреции отдельных клеток и релевантной для заболевания иммуномодуляцией и стратегиями поиска биомаркеров.
- Корпоративное повторное использование: предоставление модульной, адаптируемой платформы для анализа различных образцов белков и клеток в рамках различных программ.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неоднозначность при валидации иммунных мишеней.
- Операционная ценность: стандартизирует и масштабирует анализы цитокинов на уровне отдельных клеток для воспроизводимой генерации высококонтентных данных.
- Стратегическая ценность: позволяет принимать обоснованные решения о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и эффективно распределять капитал при продвижении портфеля за счет выявления функциональной иммунной гетерогенности.
- Влияние на портфель: поддерживает приоритезацию с учетом рисков и продвижение активов, ориентированных на иммунологию.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области микрофлюидики, разработки иммуноанализов и количественного анализа изображений.
- Необходим доступ к флуоресцентной микроскопии и инфраструктуре для автоматизированного получения изображений.
- Требуется межкомандная стандартизация процессов калибровки анализа и рабочих процессов анализа данных.
- Метод адаптируется к различным цитокинам и типам клеток при соответствующей реконфигурации анализа.
- Динамический диапазон и чувствительность должны быть валидированы для каждого нового применения или типа образцов.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
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
