Burada sunulan, mekano-düğüm-gözenek algılama (mekano-NPS) adı verilen elektronik tabanlı bir mikroakışkan platform kullanarak tek hücreleri mekanik olarak fenotiplemek için bir yöntemdir. Bu platform, hücrelerin hem elastik hem de viskoz biyofiziksel özelliklerini ölçerken 1-10 hücre / s’nin ılımlı verimini korur.
Hücresel mekanik özellikler, kök hücre farklılaşmasından kanser metastazına kadar çok çeşitli biyolojik süreçlerde ve hastalıklarda rol oynar. Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve mikropipet aspirasyonu (MA) gibi bu özellikleri ölçmek için kullanılan geleneksel yöntemler, bir hücrenin tam viskoelastik tepkisini yansıtan zengin bilgileri yakalar; ancak, bu yöntemler çok düşük aktarım hızı ile sınırlıdır. Gerçek zamanlı deforme olabilirlik sitometrisi (RT-DC) gibi yüksek verimli yaklaşımlar, genellikle yalnızca bir hücrenin elastik özelliklerini yansıtan tek parametreli okumalarla sınırlı olduklarından, yalnızca sınırlı mekanik bilgileri ölçebilir. Bu yöntemlerin aksine, mekano-düğüm-gözenek algılama (mekano-NPS), orta verime sahip bir hücrenin çok parametreli viskoelastik ölçümlerini elde etmedeki boşluğu dolduran esnek, etiketsiz bir mikroakışkan platformdur. Doğru akım (DC) ölçümü, hücreleri mikroakışkan bir kanaldan geçerken izlemek, dar bir daralmadan önce, sırasında ve sonrasında boyutlarını ve hızlarını izlemek için kullanılır. Bu bilgi (yani, boyut ve hız), her hücrenin enine deformasyonunu, deformasyona karşı direncini ve deformasyondan iyileşmesini ölçmek için kullanılır. Genel olarak, bu elektronik tabanlı mikroakışkan platform, çoklu viskoelastik hücre özellikleri ve böylece bir hücrenin mekanik durumunun daha eksiksiz bir resmini sağlar. Minimum numune hazırlama gerektirdiğinden, basit bir elektronik ölçüm kullandığından (yüksek hızlı bir kameranın aksine) ve standart yumuşak litografi imalatından yararlandığından, bu platformun uygulanması basit, erişilebilir ve aşağı akış analizine uyarlanabilir. Bu platformun esnekliği, kullanışlılığı ve hassasiyeti, temel bilim ve klinik teşhiste daha birçok uygulama potansiyeli ile çeşitli hücreler hakkında benzersiz mekanik bilgiler sağlamıştır.
Tek hücreler dinamik, viskoelastik malzemelerdir1. Çok sayıda iç ve dış süreç (örneğin, mitozun başlangıcı veya hücre dışı matrisin [ECM] yeniden şekillendirilmesi), yapılarını ve kompozisyonlarınıetkiler 2,3,4, genellikle mevcut durumlarını tamamlayan farklı biyofiziksel özelliklerle sonuçlanır. Özellikle, mekanik özelliklerin hücresel gelişim, fizyoloji ve patolojinin önemli biyobelirteçleri olduğu ve kanonik moleküler ve genetik yaklaşımları destekleyebilecek değerli nicel bilgiler sağladığı gösterilmiştir 5,6,7. Örneğin, Li ve ark. yakın zamanda ilaca dirençli ve ilaca duyarlı akut promiyelositik lösemi hücreleri arasındaki mekanik farklılıkları tanımlarken, aynı zamanda farklı şekilde eksprese edilen sitoiskeletle ilişkili genleri ortaya çıkarmak için RNA-seq kullanmışlardır8. Tek hücreli mekanik ve hücresel fonksiyon arasındaki karmaşık etkileşimi anlayarak, mekanofenotiplemenin temel bilim ve klinik teşhisin dönüştürülmesinde daha geniş uygulamaları vardır9.
Tek hücreli mekaniği ölçmek için en yaygın olarak benimsenen araç atomik kuvvet mikroskobudur (AFM). AFM, hücresel mekanik özelliklerin yüksek çözünürlüklü, lokalize bir ölçümünü mümkün kılarken, 0,01 hücre / s10 < bir verim ile sınırlı kalır. Alternatif olarak, asılı tek hücreleri 11 yakalamak ve deforme etmek için iki farklı lazer ışını kullanan optik sedyeler,<1 hücre / s12’nin marjinal olarak daha yüksek verimleriyle sınırlıdır. Mikroakışkan teknolojilerindeki son gelişmeler, hızlı, tek hücreli, mekanik değerlendirme için yeni nesil cihazları mümkün kılmıştır12,13. Bu teknikler,10-1.000 hücre / s 18 veriminde hücreleri hızlı bir şekilde deforme etmek için dar daralma kanalları 14,15, kesme akışı 16 veya hidrodinamik germe 17 kullanır. Bu yaklaşımların ölçüm oranı geleneksel tekniklerden oldukça hızlı olsa da, genellikle sınırlı mekanik okumalar için yüksek verimli yetenekler ticareti yaparlar (Ek Tablo 1). Yukarıda belirtilen tüm hızlı mikroakışkan yöntemler, yalnızca bir hücrenin elastik özelliklerini yansıtan geçiş süresi veya deforme olabilirlik oranları gibi temel, tek parametreli metriklere odaklanır. Bununla birlikte, tek hücrelerin içsel viskoelastik doğası göz önüne alındığında, hücrelerin sağlam ve kapsamlı bir mekanik karakterizasyonu, sadece elastik bileşenlerin değil, aynı zamanda viskoz tepkilerin de dikkate alınmasını gerektirir.
Mekano-düğüm-gözenek algılama (mekano-NPS)2,8 (Şekil 1A), tek hücreli mekanofenotipleme ile mevcut sınırlamaları ele alan mikroakışkan bir platformdur. Bu yöntem, hücre çapı, bağıl deforme edilebilirlik ve deformasyondan geri kazanım süresi de dahil olmak üzere çoklu biyofiziksel parametrelerin aynı anda ölçülmesini sağlar ve 1-10 hücre/sn ılımlı bir verime sahiptir. Bu teknik, düğüm-gözenek algılama (NPS) 19,20,21,22,23,24 dayanmaktadır; bu, “düğümler” olarak adlandırılan daha geniş bölgeler tarafından bölümlere ayrılmış bir mikroakışkan kanaldan geçen bir hücre tarafından üretilen modüle edilmiş akım darbesini ölçmek için dört noktalı bir prob ölçümü kullanılmasını içerir. Modüle edilmiş akım darbesi, hücrenin segmentlerdeki (yani “gözenekler”) ve düğümlerdeki akım akışını kısmen bloke etmesinin bir sonucudur ve birincisinde ikincisinden daha fazla akım bloke edilir. Mekano-NPS’de, bir segment, “kasılma kanalı”, bir hücre çapından daha dardır; Sonuç olarak, bir hücrenin tüm kanalı geçmek için deforme olması gerekir (Şekil 1B). Hücre çapı, hücre kasılma kanalından önce düğüm gözeneklerini geçtiğinde üretilen alt darbenin büyüklüğü ile belirlenebilir (Şekil 1B, C). Burada, |ΔInp|, hücre gözenekteyken geçerli düşüş, hücrenin gözenek içindeki hacim oranıyla orantılıdır, V hücresi / Vgözenek 2,8,19. Hücre sertliği, hücre kasılma kanalını geçtiğinde üretilen önemli ölçüde daha büyük alt darbenin süresi olanΔ T c ile belirlenebilir (Şekil 1B, C). Daha sert bir hücrenin kanalı geçmesi daha yumuşak bir hücredendaha uzun sürecektir 2,8. Son olarak, hücrenin deformasyon sonrası orijinal boyutuna ve şekline dönme kabiliyeti olan hücre “geri kazanımı”, hücre kasılma kanalından sonra düğüm gözeneklerini geçerken üretilen alt darbeler dizisi ile belirlenebilir (Şekil 1B, C). İyileşme süresi, ΔTr, mevcut alt darbelerin, hücre sıkıştırılmadan önce önceki alt darbelerin büyüklüğüne dönmesi için geçen süredir. Genel olarak, bir hücrenin mikroakışkan kanaldan geçişi olarak üretilen modüle edilmiş akım darbeleri, ilgili tek hücreli mekanik parametreleri çıkarmak için kaydedilir ve analiz edilir (Şekil 1D)2,8.
Bu elektronik tabanlı mikroakışkan platformun tekrarlanabilirliği ve kullanım kolaylığı daha önce gösterilmiştir25. Ek olarak, platform tek hücreli mekanofenotipleme için giriş için düşük bir engel sunar. Mikroakışkan cihazları imal etmek için standart yumuşak litografi kullanılır. Ölçüm donanımı, basit bir baskılı devre kartı (PCB), güç kaynağı, ön amplifikatör, veri toplama kartı (DAQ) ve bilgisayar dahil olmak üzere ucuz bileşenlerden oluşur. Son olarak, veri toplama ve analizi için kullanıcı dostu kod mevcuttur ve bu da basit bir uygulama sağlar. Bu mekanofenotipleme tekniği, malign olmayan ve malign meme ve akciğer epitel hücre hatlarının popülasyonlarını ayırt edebilir, primer insan meme epitel hücrelerinde alt soylar arasında ayrım yapabilir ve sitoiskelet pertürbasyonlarının ve diğer farmakolojik ajanların etkilerini karakterize edebilir 2,8. Genel olarak, bu platform tek hücrelerin mekanofenotiplenmesi için etkili bir yaklaşımdır.
Bu mekanofenotipleme tekniğini kullanarak tek hücrelerin mekanik özelliklerinin ölçülmesi üç aşamadan oluşur: cihaz üretimi, veri toplama ve veri analizi. Her aşamada, deneysel sonuçları önemli ölçüde etkileyebilecek dikkate değer yönler vardır. Cihaz üretimi sırasında, tutarlı kanal geometrileri ve cihazdan cihaza homojenlik, doğru ve tekrarlanabilir sonuçlar için gereklidir. Özellikle, her aygıtın yan duvarları nispeten düzgün olmalıdır (Şekil 4Ai) ve ?…
The authors have nothing to disclose.
Bu araştırma NIBIB 1R01EB024989-01 ve NCI 1R01CA190843-01 hibeleri ile desteklenmiştir. A. L. ve R. R., H2H8 Derneği Lisansüstü Araştırma Bursu tarafından desteklenmiştir. K. L. C., Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Bursu ve Siebel Scholar Bursu tarafından desteklenmiştir.
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 |