מוצגת כאן שיטה לפנוטיפ מכני של תאים בודדים באמצעות פלטפורמה מיקרופלואידית מבוססת אלקטרוניקה הנקראת חישת נקבוביות מכאנו-צומת (mechano-NPS). פלטפורמה זו שומרת על תפוקה מתונה של 1-10 תאים לשנייה תוך מדידת התכונות הביופיזיות האלסטיות והצמיגיות של התאים.
תכונות מכניות תאיות מעורבות במגוון רחב של תהליכים ביולוגיים ומחלות, החל מהתמיינות תאי גזע ועד גרורות סרטניות. שיטות קונבנציונליות למדידת תכונות אלה, כגון מיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM) ושאיפת מיקרופיפטה (MA), לוכדות מידע עשיר, המשקף את התגובה הצמיגית המלאה של התא; עם זאת, שיטות אלה מוגבלות על ידי תפוקה נמוכה מאוד. גישות בעלות תפוקה גבוהה, כגון ציטומטריה של עיוות בזמן אמת (RT-DC), יכולות למדוד רק מידע מכני מוגבל, מכיוון שלעתים קרובות הן מוגבלות לקריאות של פרמטר יחיד המשקפות רק את התכונות האלסטיות של התא. בניגוד לשיטות אלה, חישת נקבוביות מכאנו-צומת (mechano-NPS) היא פלטפורמה מיקרופלואידית גמישה, נטולת תוויות, המגשרת על הפער בהשגת מדידות ויסקו-אלסטיות מרובות פרמטרים של תא בעל תפוקה מתונה. מדידת זרם ישר (DC) משמשת לניטור תאים בזמן שהם עוברים בתעלה מיקרופלואידית, ועוקבת אחר גודלם ומהירותם לפני, במהלך ואחרי שהם נאלצים לעבור התכווצות צרה. מידע זה (כלומר, גודל ומהירות) משמש לכימות העיוות הרוחבי של כל תא, עמידות בפני דפורמציה והתאוששות מעיוות. באופן כללי, פלטפורמה מיקרופלואידית זו, המבוססת על אלקטרוניקה, מספקת תכונות ויסקו-אלסטיות מרובות של התא, ובכך תמונה מלאה יותר של המצב המכני של התא. מכיוון שהיא דורשת הכנת דגימה מינימלית, משתמשת במדידה אלקטרונית פשוטה (בניגוד למצלמה במהירות גבוהה), ומנצלת את ייצור הליתוגרפיה הרכה הסטנדרטית, היישום של פלטפורמה זו הוא פשוט, נגיש וניתן להתאמה לניתוח במורד הזרם. הגמישות, התועלת והרגישות של פלטפורמה זו סיפקו מידע מכני ייחודי על מגוון רחב של תאים, עם פוטנציאל ליישומים רבים נוספים במדע בסיסי ובאבחון קליני.
תאים בודדים הם חומרים דינמיים, ויסקואלסטיים1. ריבוי תהליכים פנימיים וחיצוניים (למשל, הופעת מיטוזה או שיפוץ מחדש של המטריצה החוץ-תאית [ECM]), משפיעים על המבנה וההרכב שלהם 2,3,4, ולעתים קרובות התוצאה היא תכונות ביופיזיות נפרדות המשלימות את מצבם הנוכחי. בפרט, תכונות מכניות הוכחו כסמנים ביולוגיים חשובים של התפתחות תאים, פיזיולוגיה ופתולוגיה, המניבים מידע כמותי רב ערך שיכול להשלים גישות מולקולריות וגנטיות קנוניות 5,6,7. לדוגמה, Li et al. תיארו לאחרונה את ההבדלים המכניים בין תאי לוקמיה פרומיאלוציטיים חריפים עמידים לתרופות ומגיבים לתרופות, תוך שימוש ב-RNA-seq כדי לחשוף גנים הקשורים לציטוסקלטון8 המתבטאים באופן דיפרנציאלי. על ידי הבנת יחסי הגומלין המורכבים בין מכניקת התא הבודד לבין תפקוד התא, למכנופנוטיפינג יש יישומים רחבים יותר בשינוי המדע הבסיסי והאבחון הקליני9.
הכלי הנפוץ ביותר למדידת מכניקה של תא בודד הוא מיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM). בעוד ש-AFM מאפשר מדידה מקומית ברזולוציה גבוהה של תכונות מכניות סלולריות, הוא נותר מוגבל לתפוקה של <0.01 תאים לשנייה10. לחלופין, אלונקות אופטיות, המשתמשות בשתי קרני לייזר מסתעפות כדי ללכוד ולעוות תאים בודדים תלויים11, מוגבלות לתפוקה גבוהה יותר באופן שולי של <1 תאים/שנייה12. ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיות מיקרופלואידיות אפשרה דור חדש של התקנים להערכה מכנית מהירה, חד-תאית,12,13. טכניקות אלה משתמשות בתעלות כיווץ צרות 14,15, זרימת גזירה 16, או מתיחה הידרודינמית17 כדי לעוות תאים במהירות בתפוקות של 10-1,000 תאים לשנייה 18. בעוד שקצב המדידה של גישות אלה מהיר משמעותית מטכניקות קונבנציונליות, לעתים קרובות הן מחליפות יכולות תפוקה גבוהה עבור קריאות מכניות מוגבלות (טבלה משלימה 1). כל השיטות המיקרופלואידיות המהירות שהוזכרו לעיל מתמקדות במדדים בסיסיים בעלי פרמטר יחיד, כגון זמן מעבר או יחסי עיוות, המשקפים רק את התכונות האלסטיות של התא. עם זאת, בהתחשב באופי הצמיגי הפנימי של תאים בודדים, אפיון מכני חזק ויסודי של תאים דורש התחשבות לא רק ברכיבים אלסטיים אלא גם בתגובות צמיגות.
חישת נקבוביות מכאנו-צומת (mechano-NPS)2,8 (איור 1A) היא פלטפורמה מיקרופלואידית שמטפלת במגבלות הקיימות באמצעות מכנופנוטיפ חד-תאי. שיטה זו מאפשרת מדידה של מספר פרמטרים ביופיזיים בו זמנית, כולל קוטר התא, עיוות יחסי וזמן התאוששות מעיוות, עם תפוקה מתונה של 1-10 תאים לשנייה. טכניקה זו מבוססת על חישת נקבוביות צמתים (NPS)19,20,21,22,23,24, הכוללת שימוש במדידת בדיקה בת ארבע נקודות כדי למדוד את פולס הזרם המווסת המיוצר על ידי תא העובר בתעלה מיקרופלואידית אשר פולחה על ידי אזורים רחבים יותר, המכונים “צמתים”. פולס הזרם המווסת הוא תוצאה של התא שחוסם חלקית את זרימת הזרם במקטעים (כלומר, “נקבוביות”) ובצמתים, כאשר יותר זרם חסום בראשון מאשר באחרון. במכאנו-NPS, מקטע אחד, “תעלת הכיווץ”, צר יותר מקוטר התא; כתוצאה מכך, תא חייב להתעוות כדי לעבור את כל הערוץ (איור 1B). ניתן לקבוע את קוטר התא על ידי גודל התת-פולס שנוצר כאשר התא עובר את נקבוביות הצומת לפני ערוץ ההתכווצות (איורים 1B,C). כאן, |ΔInp|, הטיפה הנוכחית כאשר התא נמצא בנקבובית, פרופורציונלית ליחס הנפח של התא לנקבובית, נקבובית תא/V 2,8,19. ניתן לקבוע את קשיחות התא על ידי ΔTc, משך הזמן של תת-הדופק הגדול יותר באופן דרמטי שנוצר כאשר התא עובר את תעלת הכיווץ (איורים 1B,C). תא נוקשה יותר ייקח זמן רב יותר לעבור את התעלה מאשר תא רךיותר 2,8. לבסוף, “התאוששות” התא, יכולתו של התא לחזור לגודלו ולצורתו המקוריים לאחר העיוות, יכולה להיקבע על-ידי סדרת תת-הפולסים המיוצרים כאשר התא עובר את נקבוביות הצומת לאחר ערוץ ההתכווצות (איורים 1B,C). זמן ההחלמה, ΔTr, הוא הזמן שלוקח לתת-פולסים הנוכחיים לחזור לגודל של תת-הפולסים הקודמים, לפני שהתא נסחט. באופן כללי, פולסי הזרם המווסתים המיוצרים כאשר תא עובר את התעלה המיקרופלואידית מתועדים ומנותחים כדי לחלץ את הפרמטרים המכניים הרלוונטיים של תא יחיד (איור 1D)2,8.
יכולת השחזור וקלות השימוש בפלטפורמה מיקרופלואידית מבוססת אלקטרוניקה זו הודגמו בעבר25. בנוסף, הפלטפורמה מהווה חסם כניסה נמוך עבור מכנופנוטיפינג חד-תאי. ליתוגרפיה רכה סטנדרטית משמשת לייצור התקנים מיקרופלואידיים. חומרת המדידה מורכבת מרכיבים זולים, כולל מעגל מודפס פשוט (PCB), ספק כוח, preamplifier, לוח איסוף נתונים (DAQ) ומחשב. לבסוף, קוד ידידותי למשתמש זמין לרכישה וניתוח של נתונים, ומאפשר יישום פשוט. טכניקה זו של מכניופנוטיפינג יכולה להבחין בין אוכלוסיות של קווי תאי אפיתל שדיים וריאות לא ממאירים וממאירים, להבחין בין תת-שומנות בתאי אפיתל ראשוניים של יונקים אנושיים, ולאפיין את ההשפעות של הפרעות ציטוסקלטליות וחומרים פרמקולוגיים אחרים 2,8. באופן כללי, פלטפורמה זו היא גישה יעילה עבור mechanophenotyping של תאים בודדים.
מדידת התכונות המכניות של תאים בודדים באמצעות טכניקת מכנופנוטיפינג זו מורכבת משלושה שלבים: ייצור מכשירים, איסוף נתונים וניתוח נתונים. בתוך כל שלב, ישנם היבטים בולטים שעשויים להשפיע באופן משמעותי על תוצאות הניסוי. במהלך ייצור התקנים, גיאומטריות ערוצים עקביות ואחידות בין התקן להתקן חיוניים…
The authors have nothing to disclose.
מחקר זה נתמך על ידי מענקים מ- NIBIB 1R01EB024989-01 ו- NCI 1R01CA190843-01. א’ ל’ ור’ ר’ נתמכו על ידי מלגת מחקר לתארים מתקדמים של אגודת H2H8. K. L. C. נתמך על ידי מלגת מחקר לתארים מתקדמים של הקרן הלאומית למדע ומלגת Siebel Scholar.
Acetone | J.T. Baker | 5356-05 | Purity (GC) ≥ 99.5% (https://us.vwr.com/store/product/6057739/acetone-99-5-vlsi-j-t-baker) |
Aluminum Foil | n/a | n/a | |
Analog Low-Pass Filter | ThorLabs | EF504 | ≤240 kHz Passband, Coaxial BNC Feedthrough (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=EF504#ad-image-0) |
Biopsy Punch | Integra Miltex | 33-31AA-P/25 | 1mm, Disposable, with Plunger (https://mms.mckesson.com/product/573313/Miltex-33-31AA-P25) |
Blade | n/a | n/a | |
BNC Cable | Pomona Electronics | 2249-C-12 | https://www.digikey.com/en/products/detail/pomona-electronics/2249-C-12/603323?utm_adgroup=Coaxial%20Cables%20%28RF%29&utm_source=google&utm_ medium=cpc&utm_campaign= Shopping_Product_Cable%20Assemblies_NEW&utm_term= &utm_content=Coaxial%20Cables%20%28RF%29&gclid=Cj0KCQjwlK-WBhDjARIsAO2sErQqnVJ pj5OXVObuTI8ZUf1ZeIn7zvzGnx mCWdePrG6SdEJMF3X6ubUaAs w-EALw_wcB |
Cleanroom Polyester Swab | Thermo Fisher Scientific | 18383 | https://www.fishersci.com/shop/products/texwipe-cleantip-alpha-polyester-series-swabs-6/18383 |
Current Preamplifier | DL Instruments | 1211 | https://www.brltest.com/index.php?main_page=product_info&products_ id=1419 |
Custom PCB (w/ components) | n/a | n/a | see Supplemental files 4 and 5 |
DAQ Terminal Block | National Instruments | BNC-2120 | https://www.ni.com/en-in/support/model.bnc-2120.html |
DAQ to BNC-2110 cable | National Instruments | SHC68-68-EPM | https://www.ni.com/en-in/support/model.shc68-68-epm.html |
Data Acquisition Board (DAQ) | National Instruments | PCI-6251 | https://www.ni.com/docs/en-US/bundle/pci-6251-feature/page/overview.html |
Dessicator | Thermo Fisher Scientific | 5311-0250 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/5311-0250 |
Female BNC To Banana Plug Adapter | Pomona Electronics | 72909 | https://www.digikey.com/en/products/detail/pomona-electronics/72909/1196318 |
Fetal Bovine Serum (FBS) | VWR | 89510-186 | https://us.vwr.com/store/product/18706419/avantor-seradigm-select-grade-usda-approved-origin-fetal-bovine-serum-fbs |
Glass Cutter | Chemglass | CG-1179-21 | https://chemglass.com/plate-glass-cutters-diamond-tips |
Gold Etchant TFA | Transene | NC0977944 | https://www.fishersci.com/shop/products/NC0977944/NC0977944 |
Hot Plate | Thermo Fisher Scientific | SP131825 | |
Isopropyl Alcohol | Spectrum Chemical | I1056-4LTPL | Purity (GC) ≥99.5% (https://www.spectrumchemical.com/isopropyl-alcohol-99-percent-fcc-i1056) |
Metal Hardware Enclosure | Hammond Manufacturing | EJ12126 | https://www.digikey.com/en/products/detail/hammond-manufacturing/EJ12126/2423415 |
Methanol | Sigma-Aldrich | 34860 | Purity (GC) ≥99.8% (https://www.sigmaaldrich.com/IN/en/substance/methanol320467561) |
MF-321 Developer | Kayaku Advanced Materials | n/a | https://kayakuam.com/products/mf-321/ |
MICROPOSIT S1813 Positive Photoresist | DuPont | n/a | https://kayakuam.com/products/microposit-s1800-g2-series-photoresists/ |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 10010049 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10010049?SID=srch-hj-10010049 |
Photomask | Fineline Imaging | n/a | Photomask are custom ordered from our CAD designs (https://www.fineline-imaging.com/) |
Plain Glass Microscope Slide | Fisher Scientific | 12-553-5B | Material: Soda Lime, L75 x W50 mm, Thickness: 0.90–1.10 mm |
Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-001 | https://harrickplasma.com/plasma-cleaners/expanded-plasma-cleaner/ |
Plastic Petri Dish | Thermo Fisher Scientific | FB0875712 | 100 mm (https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-petri-dishes-clear-lid-raised-ridge-100-x-15mm/FB0875712) |
Pressure Controller | Fluigent | MFCS-EZ | https://www.fluigent.com/research/instruments/pressure-flow-controllers/mfcs-series/ |
Pressure Controller Software | Fluigent | MAESFLO | |
Programming & Computation Software | MATLAB | R2021b | for data acquisition and analysis (https://www.mathworks.com/products/matlab.html) |
PTFE Tubing | Cole Parmer | 06417-31 | 0.032" ID x 0.056" (https://www.coleparmer.com/i/masterflex-transfer-tubing-microbore-ptfe-0-032-id-x-0-056-od-100-ft-roll/0641731) |
Scepter 2.0 Handheld Automatic Cell Counter | Millapore Sigma | PHCC20060 | https://www.sigmaaldrich.com/IN/en/product/mm/phcc20060 |
Silicon Wafer | Wafer World | 2885 | 76.2 mm, Single Side Polished (https://www.waferworld.com/product/2885) |
Spin Coater | n/a | n/a | |
SU-8 3025 Negative Photoresist | Kayaku Advanced Materials | n/a | https://kayakuam.com/products/su-8-2000/ |
SU8 Developer | Kayaku Advanced Materials | n/a | https://kayakuam.com/products/su-8-developer/ |
Sygard 184 Polydimethlysiloxane | Dow Chemical | 4019862 | https://www.ellsworth.com/products/by-market/consumer-products/encapsulants/silicone/dow-sylgard-184-silicone-encapsulant-clear-0.5-kg-kit/ |
Tape | Scotch | 810-341296 | https://www.staples.com/Scotch-Magic-Tape-810-3-4-x-36-yds-1-Core/product_130567?cid=PS:GS:SBD:PLA:OS&gclid= Cj0KCQjwlK-WBhDjARIsAO 2sErRwzrrgjU0NjFkDkne1xm vT7ekS3tdzvAgiMDwPoxocgH VTQZi7vJgaAvQZEALw_wcB |
Titanium, Platinum, Gold | n/a | n/a | |
Triple Output Power Supply | Keysight | E36311A | https://www.newark.com/keysight-technologies/e36311a/dc-power-supply-3o-p-6v-5a-prog/dp/15AC9653 |
UV Mask Aligner | Karl Suss America | MJB3 Mask Aligner |