癌症干细胞迁移的使用进行划分的微流控芯片和活细胞成像的评价

Summary

一个调查癌症干细胞迁移的微流体装置进行划分。这个新的平台创建一个可行的细胞微环境，使活细胞运动的微观可视化。高度能动的癌症细胞分离分子机制研究的积极渗透，并可能导致未来更有效的疗法。

Abstract

在过去的40年里，美国癌症研究上投入了超过200亿美元，导致死亡率只有5％的跌幅。改善患者的治疗效果的一个主要障碍是缺乏了解的机制与细胞迁移相关联的侵略性癌症细胞侵袭，转移和治疗性^1。多形性胶质母细胞瘤（GBM），最常见的原发性恶性成人脑肿瘤^2，充分体现了这个困难。尽管标准的手术，放疗和化疗，患者的中位生存期只有15个月，由于积极的GBM渗透到相邻的大脑和快速的癌症复发^2。异常的细胞的的迁徙机制和肿瘤微环境的相互作用，有可能区分癌症从正常细胞^3。因此，提高治疗方法的GBM需要更好地了解癌症细胞迁移机制。最近的工作表明THATA小亚群内GBM细胞，脑肿瘤干细胞（BTSC），可能是治疗和复发性负责。 BTSC迁移能力的机制才刚刚开始特点^1,4。

由于在目视检查和几何操作，常规迁移试验的限制仅限于量化整个细胞群。相比之下，微流体器件允许单细胞分析的，因为兼容性与现代显微镜和控制微环境^6-9。

我们提出了详细的表征的BTSC移民进行划分的微流体装置的方法。这些PDMS国产设备投的组织文化分为三个相连的车厢环境：播种室，接收室和桥接微流。我们量身定制的设备，如两院保持足够的媒体支持可行的BTSC 4-5大YS没有媒体交流。最初引入到直播室的高度移动的标志物：BTSC被隔离后，虽然桥接微流的并行接收室的迁移。这种迁移模拟癌症细胞扩散的大脑通过的间隙空间。在迁移过程中细胞形态的相位实时图像，记录了好几天。高度洄游BTSC，因此是孤立的，再培养，并作进一步分析。

进行划分的微流体可以是一个多功能的平台，研究的标志物：BTSC和其他癌症干细胞的迁移行为。通过结合梯度发电机，流体处理，微电极和其他微流体模块，这些设备也可以被用于药物筛选和疾病的诊断^6。积极的游走细胞亚群的分离，使潜在的分子机制的研究。

Protocol

1。 BTSC的细胞分离

标志物：BTSC来自生长在无血清干细胞培养基中作为神经球的预先存在的文化。文化其中预先描述^10，11。

1. 准备细胞悬液从BTSC衍生的神经球。 BTSC-衍生的神经球被收集在一个15毫升锥形管，离心5分钟，在900 rpm的转速下。更快的离心剪切和/或损害的神经球。吸去上清液和的神经球的文化再悬浮在0.5毫升预热的Accutase。孵育5-10分钟，此溶液在37℃下使松开的神经球。机械破碎细胞，用10-20温柔笔划的P100移液器1.5毫升干细胞培养基，然后加入到细胞中的Accutase。
2. 的标志物：BTSC在1300 rpm离心5分钟，然后离心，并再悬浮在1毫升干细胞培养基。
3. A 50微升等分试样从suspens删除离子和放置到一个离心管中，进行细胞计数。 50μl的台盼蓝的Eppendorf管中，并添加到该悬浮液被放置在血细胞计数器进行细胞计数。
4. 细胞计数后，如果需要，额外的干细胞培养基中加入的BTSC悬浮液，得到细胞密度为20000个活细胞/微升媒体。

2。双向层状苏-8主站和PDMS印章成型（参见图1）的制备

我们使用光学光刻和软光刻技术制作SU-8主站和PDMS印章，这是必不可少的微流体装置的装配。稍有不同的标准程序^12，SU-8主是由两层组成。 3微米高的微通道浇铸在第一/底部层前面的过程中，而250微米高的播种和接收腔中的第二/上层。为了两个文化室（微之间的连接是否正确s和腔室），这两层都必须准确地对准的位置。然而，第二层的厚度和不透明度是大到足以阻止基准/光学对准器从访问的底部功能。在这里，我们设计的面具与基准标记远程定位。因此，在第一层中的这些标记物可以被有选择地屏蔽，而第二层的纺丝。其结果是，两个功能层是由在一个主站和准备用于模制在浮雕的PDMS印章。

1. 设计和准备两张照片口罩。一个掩模由两个基准标记和用于第一层的微通道的阵列（长400微米，宽和10-50微米）。另一个掩模由播种和接收用于所述第二层的腔室（2毫米长和宽为600μm）。这两个掩模设计在Illustrator（Adobe公司，加利福尼亚州），激光印刷到透明薄膜（薄金属零件，科罗拉多州），用异丙醇和空气干燥清洗。
2. 使第一层与SU-8的光刻胶（MicroChem，马萨诸塞州）根据供应商的产品使用说明书。首先，旋涂的手柄的su-8（5），与3-μm厚的光致抗蚀剂的晶片（WRS材料，加利福尼亚），然后通过软烘烤。然后，光致抗蚀剂是紫外线曝光和固化后烘烤和显影，接着与相应的掩模紧密接触。
3. 旋涂用250微米厚的苏-8（2100）的第二层。为了防止厚的光致抗蚀剂的阻塞状态，从第一层的基准标记时，我们用透明胶带覆盖这些区域之前，所述第二层的旋涂。磁带，然后剥离，以显示标记的对准目的。
4. 紫外线暴露所述第二层与所述第二掩模。的对准标记显示，它是直接将它们对齐在使用光掩模对准第二掩模的。第二层的光致抗蚀剂，然后紫外线曝光和固化在紧密接触，然后由后烘烤和显影。/ P>
5. 抗粘涂层，导致主。为了帮助去除固化的PDMS，SU-8主可以通过气相沉积，使表面不沾涂层的硅烷化处理。简单地将其放置到一个干燥器中的至少一个小时，与几滴三氯（1H，1H，2H，2H-全氟辛基）硅烷的溶液在真空下。
6. 模具PDMS主。混合预聚物基地和的PDMS SYLGARD的184（道康宁，密歇根州）的比例为10:1彻底治疗者。将其放置在干燥器真空脱气看到，直到没有气泡。混合物倒入的面具，脱气，如果再引入新的气泡。固化在模具上的水平加热板上于90℃2小时，冷却至室温后，轻轻放开PDMS印章。因此，培养渠道刻在PDMS，并准备好组装的设备。主是可重复使用的成型，直到它被损坏或磨损。抗粘涂层，需要时，再次进行的粘性恢复。

3。大会的微流体装置和细胞培养（图2）

为了培养细胞，特征刻PDMS印章附着的玻璃盖玻片上，以形成封闭的通道。入口和出口被创建加载文化/媒体。同时，清理和其他程序，以在玻璃衬底和PDMS印章是必要的，以确保细胞兼容性。

1. 水库通过PDMS印章使用活检打孔器。我们选择其直径为6毫米。这些水库有两个目的服务。一是要保持额外的营养细胞的生长。另一种是移液器装载和真空抽吸的访问。
2. PDMS印章在70％的乙醇浸泡30分钟，然后用清水冲洗用去离子水，再过10分钟。其目的是为了清除潜在的有机残留物，介绍了在制造过程期间，和未交联的聚二甲基硅氧烷污染。更激烈和彻底的清洗过程，如有机提取¹³ 14用于其他地方。然而，我们发现是BTSC文化的不必要的。
3. 消毒用高压釜（121℃，35分钟）的PDMS印章。这一步完成的聚二甲基硅氧烷交联反应。从这个步骤开始，直到步骤3.6中，所有的程序都是在无菌方式。
4. PDMS印章然后放在玻璃盖玻片，预先涂有聚-L-赖氨酸，然后^15-17的移动设备与层粘连蛋白涂覆填充与层粘连蛋白的溶液中过夜，在37℃下的信道层粘连蛋白被吸入从设备，该设备是用干细胞培养基。
5. 将细胞悬液从第1步到水库和渠道。 11μl的游离细胞被放置在一个播种储层。使用真空抽吸到播种室迫使细胞，如果需要。增加7微升的细胞都放在的相邻的播种水库。注意：一般的细胞密度为20000细胞/微升媒体。船尾呃五分钟，播种和接收水库充斥着媒体。
6. 将一个0.5毫米的前顶部蒸压的PDMS表上。自然发生的表面粘附2 PDMS件之间的密封的细胞培养和准备运输，孵化和显微成像。

4。长期时间的推移成像的BTSC迁移与BioStation IM（尼康仪器公司，梅尔维尔，USA），。

结合摄像头，在一个盒子里的所有软件和孵化器，这显微系统使图像细胞培养无干扰数天。此外，其独特的电机设计物镜的移动，并保持固定在样品台访问点功能。这使得它实际的图像并行实验和跟踪在高通量检测细胞运动。

1. 预平衡的Biostation IM 45分钟以稳定的温度，水分和空气的供应。此外，一些水续ained菜肴样品室是用来保持适当的湿度。
2. 装入的移动设备中的细胞显微镜的样品室中，和中心使用微型镊子。
3. 的焦点，位置点和时间点Biostation软件设置和启动时间的推移。

5。代表性的成果：

目视检查和表征的癌症细胞的迁移通过使用进行划分的微流体装置的实施例在图3和图4中示出。细胞线是BTSC。我们目前的体制，细胞培养相图像，可以连续记录长为5天（图3）和频繁，每2秒（图4）。超过5天的营养补充和废物排出，文化传媒需要更换。我们的长期时间的推移，在其迁移的形态变化的基础上，确定了循环序列的6个细胞的阶段。作为出版于trated在图3中，我们描述（一）迁移前，（二）开始，（三）路径探索，（IV）巡航，（V）的目标exloration和（六）迁移后。在接收室，梭形细胞停留在阶段（i）在大型的肿瘤，是无法生长，分裂和逐步迁移。他们的做法是微通道入口，一些细胞开始阶段（ii）当他们扩大并产生粘结突出。其中之一是能够占据的入口和进行阶段（iii），这可以探索的迁移方向。一旦细胞决定的迁移方向，它的收益阶段（四）通过微巡航的稳定和高速，这是在整个微。在结束阶段（V）接收室，探索开放式的空间，然后到舞台（六）微通道，细胞的收入。微通道中，迁移能力主要是产生通过出泡活性，如在图4中示出，类似于变形虫大公升。细胞皱缩和膜变形完全记录在这里。

图1的微流体设备的制造示意图。通过修改后的软光刻技术的整个过程进行了一块3英寸的硅处理晶片。作为在第一层是由3微米高的微通道和对准标记。然后250-μm厚的su-8是旋涂，而对准标记用透明胶带覆盖，使得它们可以购买访问屏蔽由厚的光刻胶不挡视线对准。因此，腔室的功能可以作为第二层，精确对准的第一层。 PDMS印章最终成型产生的主。

图2的移动设备的组装和细胞接种过程的示意图。随信附上的PDMS和gl屁股盖玻片，3D培养空间室，水库和微通道组成的。与细胞培养的播种室充满，而接收腔室中最初填以无细胞介质。微通道，它们之间的连接提供细胞迁移的足迹从播种端至接收端。

图3。BTSC通过微转移。上部：快照的时间推移示出超过400微米的迁移从播种侧到接收侧的单个单元格（高亮显示为绿色）。整个行程大约需要2天，涉及一系列的细胞形态学变化。比例尺是40微米。下：六个迁移阶段的卡通表示。预迁移（ⅰ）：在播种室，纺锤状和可分割的细胞逐渐沿相互迁移。微通道入口附近种族相互细胞，分化细胞体和电子 xerting片状伪足突起。启动（二）：最高容量的迁移细胞占据了通道入口，而其竞争对手将撤退。路径的探索（三）：小极性的变形虫模式的迁移细胞的变化。这种迁移方式非常能动的，并能在各个方向上的探索路径，皱缩的小膜突起。巡航（ⅳ）：细胞的迁移路径一旦被确定，变换成一个适于变形虫模式维持一个额外的大突起标题向前。通过这种方式，细胞坚持高的蠕动，以及作为一个稳定的方向和速度。目的地探索（V）：在路径减慢，细胞和，探索接收室的任何侵略目标发展filopodias。迁移后（ⅵ）：进入接收腔室后，细胞变成星形和保持高的蠕动，但没有确定的方向。

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图4。快照时间推移显示出泡一个BTSC活性和膜的变形：（AB）的周期。开始（BD）。扩展;（DF）。回缩。和曲线线的箭头表示的方向和位置的膜变形，分别。快照收集每8秒。

Discussion

这里提出的微流体装置和图像记录技术使细胞形态在迁移过程中的可视化表征。微流体平台与现有的传统方法相比，具有成本效益，高通量和设计灵活性的优点。所提出的微观可视化系统允许长期活细胞迁移的研究和记录。镜头机动特性使得它可以跟踪多个在一个较高的图像分辨率，而不会干扰样品的迁移路径。

在组装过程中的设备，PDMS印章非永久地结合到为方便的PDL涂层（步骤3.4）的玻璃盖玻片。本协议的成功是至关重要的，以实现良好的密封。的器件制造中，如在所述基板上的邮票或粉尘/碎屑的气泡，从引入的污染可以危及流体泄漏的接合和结果。因此，TREATI使用设备无灰尘的方式，重要的是要防止设备故障。在此之前到的PDL涂覆，玻璃盖玻片硝酸处理的PDL溶液离心以除去灰尘/碎屑。我们发现，透明胶带，酒精冲洗，水浴除尘/ PDMS印章的碎片非常有帮助的，如果一个干净的房间是无法访问的。 PDMS印章制作的玻璃盖玻片接触之后，用镊子轻轻地拍打邮票便于密封。

标志物：BTSC可以通过球体培养干细胞培养基中，类似正常的神经干细胞培养人体标本手术室丰富。以这种方式展示标志物：BTSC丰富的干细胞样特性，如表达干细胞标记物（CD133，巢），分化为多种神经系（胶质细胞和神经元），在原位免疫缺陷小鼠模型中肿瘤的发生数为100细胞^18。尽管存在一些争论，提纯阳离子和维护BTSCs ^1，19-21，球种标志物：BTSC更好地维护的表型和基因型的亲肿瘤^22-24。

隔离的空间模拟细胞迁移的生理环境。在我们的设备，BTSC表现出强烈的迁移能力，通过一个尺寸有限的空间中，通过调节细胞的形态。我们的细胞形态学变化的特性显示模式转换中的6个的阶段序列可能模拟一个可能的新的详细说明的BTSC入侵邻近脑。在早期阶段，细胞获得了显着量的极性，并生成有效地锚定自己的微通道内的粘合剂突起。一旦细胞在微占用成立的，转换的巡航模式，并通过微全程保持这种模式。在这个阶段，BTSC保持较高的活力和一致的方向，但节省能源。在terestingly，它显示一个一个微通道的是，限制一个巡航细胞一次，这样，当一个单细胞进入到这个阶段，以及其他细胞从微通道撤退。这种机制可能确保肿瘤扩散的有效性，并防止过度的营养物质在微。在完成整个微迁移，细胞恢复其具有的多向的突起和进一步勘探入侵的目标和新的迁移路径。进行划分的微流体器件提供了一种新的体外手段，建立一个微环境为研究脑实质内的的BTSC渗透的。

这种方法可以很容易地适于癌干细胞（CSC）和洄游细胞株是来自于其他类型的肿瘤的研究。培养细胞的微流体装置，可以执行在任何现代生物学实验室]是配备的孵化器和组织培养的专业知识。配备了一个SU-8的主人，PDMS铸造和设备装配软光刻技术中的一些基本训练是可行的。此外，该平台还可以扩展其他应用程序的集成等功能模块，如梯度混合器，表面图案，流体控制和微电极。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dulbecco’s modified eagle’s medium (DMEM), high glucose	GIBCO, by Life Technologies	11965	Brain tumor stem cell (BTSC) culture supplies
Ham’s F12	GIBCO, by Life Technologies	31765	Brain tumor stem cell (BTSC) culture supplies
B27 supplement minus vitamin A	GIBCO, by Life Technologies	12587-010	Brain tumor stem cell (BTSC) culture supplies
Antibiotic-Antimycotic (PSA)	GIBCO, by Life Technologies	15240	Brain tumor stem cell (BTSC) culture supplies
Epidermal Growth Factor (EGF), human recombinant	GIBCO, by Life Technologies	PHG0313	Brain tumor stem cell (BTSC) culture supplies
basic Fibroblast Growth Factor (bFGF) , human recombinant	GIBCO, by Life Technologies	PHG0021	Brain tumor stem cell (BTSC) culture supplies
Heparin sodium salt, from porcine intestinal mucosa	Sigma-Aldrich	H1027-250KU	Brain tumor stem cell (BTSC) culture supplies
Laminin (natural mouse)	GIBCO, by Life Technologies	23017-015	Brain tumor stem cell (BTSC) culture supplies
Accutase	EMD Millipore	SCR005	Brain tumor stem cell (BTSC) culture supplies
Stem cell medium			30 % Hams F12 70% DMEM 1% antibiotic-antimycotic 2% B27 without vitamin A EGF (20 ng/mL) and bFGF/heparin (20 ng/mL bFGF, 5 mg/ml heparin) Mix ingredients and sterile filter before use
Basic Fibroblast Growth Factor (bFGF)/ Heparin			Aliquot concentration 20 μg/ml For 25 μg: Add 1.25 mL of 5mg/mL Heparin to 25 μg bFGF. For 250 μg: Add 1 mL 5mg/mL Heparin to 250 μg bFGF. Transfer to 15 mL conical and add 11.5 mL 5 mg/mL Heparin to conical. Store as 50 μl or 250 μl aliquots at -80°C.
Epidermal Growth Factor (EGF)			Aliquot concentration 20 μg/ml For 200 μg: Add 1 mL sterile DMEM (Gibco 11965-118) to 200 μg EGF. Transfer to 15 mL conical and add 9 mL DMEM. For 500 μg: Add 1 mL sterile DMEM (Gibco 11965-118) to 200 μg EGF. Transfer to 50 mL conical and add 24 mL DMEM. Store as 50 μl or 250 μl aliquots at -80°C.
Heparin			Aliquot concentration 5 mg/ml Weigh out 100 mg heparin. Add 100 mg heparin to 20 mL (70%)DMEM-(30%)F12-(1%)PSA (14 mL DMEM, 6 mL F12, 200 μL PSA) Sterile filter Store as 50 μl or 250 μl aliquots at -80°C
su-8 photoresist	MicroChem Corp.
Silicon handle wafer	WRS Materials	3P01-5SSP-INV
trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane	Sigma-Aldrich	448931
PDMS Sylgard 184	Dow Corning
laminin	BD Biosciences		50 μg/ml in PBS buffer for the final concentration
Biostation IM	Nikon Instruments