$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Sitokin salınımı ve sekresyonu immünoloji ve klinik tıpta sıklıkla araştırılmaktadır3. Dengesiz sitokin sekresyonu, enfeksiyonlardan muzdarip hastalar için değil, aynı zamanda nörolojik hastalık, iltihaplanma veya kanserde de zararlı etkilere yol açabilir 26,27,28. Sağlık ve hastalıktaki önemleri iyi bilinmesine rağmen, mevcut metodolojiler tek bir hücreden kaynaklanan sitokinleri zamana bağlı bir şekilde doğru bir şekilde tespit etme ve ölçme yeteneğine sahip olmadığından, sitokinleri ve salgılayan hücrelerini incelemek zor olmaya devam etmektedir. Burada sunulan iş akışı için, PBMC ile yerleşik bir stimülasyon protokolü kullanıldı ve bunların IL-6, TNF-α ve IL-1β salgılanması ölçüldü. Bireysel, saflaştırılmış alt popülasyonlar yerine PBMC'lerin kullanılması seçimi, sitokin salınım sendromlarını (CRS) araştırmak için önceki uygulamadan kaynaklanmıştır.23 IL-6, TNF-α ve IL-1β29 dahil olmak üzere proinflamatuar sitokinlerin oldukça yüksek plazma konsantrasyonları ile karakterize bir durum. CRS genellikle sadece bir popülasyona bağlı olmadığından, in vivo olarak mevcut olacakları için PBMC'leri kullandık. Bununla birlikte, bilimsel soru bu adımı gerektiriyorsa, hücresel alt popülasyonlar saflaştırılabilir ve ayrı ayrı değerlendirilebilir. Kuluçka süresi, stimülasyon koşulları ve dinamik tahlil aralıkları, ilgilenilen üç sitokin için sekresyonunu ölçmek için optimize edildi. Burada sunulan iş akışı ve veriler, çoklu sitokinlerin zamanla çözülen tek hücreli salgılanmasının nasıl ayarlanacağını, kalibre edileceğini, ölçüleceğini, ölçüleceğini ve analiz edileceğini gösterir. Bu protokol, sitokin sekresyonunun çok işlevli analizinin, hastalarda salgılanan sitokinin büyük fonksiyonel ve dinamik çeşitliliğini nasıl sağlayabileceğine dair bir plan sağlar.
Açıklanan tahlil protokolünün birkaç önemli yönü, benzersiz bir biyolojik okuma sağlar. İlk olarak, mikroakışkan damlacıklardaki tek hücreli kapsülleme, her bir hücre için verilerin çıkarılmasına izin verdi. Çoklu hücre kapsülleme olayları, araştırma sorusuna bağlı olarak görüntü analizi ile tespit edilebilir ve sıralanabilir veya sıralanabilir. İkincisi, birkaç bağımsız damlacık içi floresan immünolojik testin dahil edilmesi ve işlevselleştirilmiş nanopartiküllerin hizalanması, paralel olarak üç sitokin konsantrasyonuna kadar kantitatif ölçüme izin verdi. Bu çoğullama, sitokin ortak sekresyon modellerinin tek hücre düzeyinde analizini mümkün kıldı. Üçüncüsü, damlacıkların immobilizasyonu, her salgılayan hücre için sitokin sekresyonunun zaman bazında ölçülmesine ve korelasyonuna izin verdi ve ko-okakımı sıralı sekresyondan ayırt etmeye izin verdi. Zaman çözünürlüğü, farklı sekretör tiplerinin sekresyon modelleri ve alt popülasyonları hakkında benzersiz bir şekilde veri sağladı. Son olarak, paralelleştirilmiş görüntü analizi, 20.000'den fazla ayrı hücreyle yapılan ölçümlerden büyük miktarda verinin verimli bir şekilde çıkarılmasını ve izlenmesini sağladı. Tek sekresyon eğrilerinden ekstraksiyon, fenotipik alt popülasyonların ve işlevlerin keşfedilmesine daha fazla izin verdi.
Eşsiz okumasının yanı sıra, tahlilin standart sitokin analizine göre teknik avantajları da vardır. Kapsülleme bölmelerinin yaklaşık 60 pL'lik küçük boyutu sayesinde, salgılanan sitokinlerin mutlak miktarları, hücre sekresyonuna uyan tespit limitleri ile doğrudan biyolojik kaynaktan tespit edilebilir. Tahlil minyatürleştirmesi ayrıca daha küçük miktarlarda pahalı biyo-reaktifler kullanır. Ayrıca, kurulum, genellikle biyoloji ve biyomühendislik laboratuvarlarında zaten mevcut olan çok az özel ekipman gerektirir. Floresan mikroskopları yaygın olarak bulunur ve şırınga pompaları biyomühendislik laboratuvarlarında sıklıkla kullanılır veya nispeten düşük bir maliyetle satın alınabilir. Bir hücre kültürü mevcutsa, deneyleri yürütmek için gereken tam ekipmanın maliyeti yaklaşık 148.000 Euro'dur ve çoğunluğu otomatik epifloresan mikroskobun (130.000 Euro) katkısıdır. Bununla birlikte, böyle bir alet genellikle biyolojik laboratuvarlarda bulunabilir ve maliyetin geri kalanı şırınga pompasına (13.000 Euro, ancak daha ucuz alternatifler mevcuttur) ve daha küçük ekipmanlara dağıtılır. Damlacık çipinin ve gözlem odasının imalatı çok iyi tanımlanmıştır17 ve çoğu biyomühendislik laboratuvarında bulunan fırınlar ve plazma temizleyiciler gibi gerekli altyapıya sahip bir temiz oda ortamının dışında gerçekleştirilebilir. Alternatif olarak, ilgili laboratuvarlara damlacık jeneratörü çipleri tedarik etmek için farklı tedarikçiler mevcuttur. İhtiyaç duyulan küçük hacimler nedeniyle, tahlil uygun maliyetlidir ve kurulumu kolaydır.
En yüksek derecede tekrarlanabilirliği sağlamak için, protokolün başarısı için bazı kritik adımlar belirledik. İlk kez kullananlar için yaygın bir sorun, ölçüm sırasında damlacık hareketidir. Analiz yazılımı tek tek damlacıkları bir dereceye kadar izleyebilse de, aşırı hareket tek hücre çözünürlüğünün kaybına ve yanlış sonuçlara yol açar. Uygun hava geçirmez ölçüm odaları, doğru damlacık boyutu ve oda boyutları, ölçüme başlamadan önce kısa bir dengeleme süresi ve uygun yüzey aktif madde konsantrasyonu kullanılarak hareket önlenebilir. Bir diğer kritik adım, ölçüme başlamadan önce doğru odaklamadır. Yanlış odaklama, floresan yer değiştirme değerlerinin önemli ölçüde düşmesine ve salgılanan sitokin miktarının hafife alınmasına yol açar. Son olarak, eldeki soruya ve protokole bağlı olarak, farklı adımlar arasındaki doğru zamanlama, tekrarlanabilirlik için son derece önemlidir. Özellikle haznenin doldurulması ile ölçümün başlatılması arasındaki bekleme süresi tutarlı olmalıdır, aksi takdirde salgılanan sitokinlerin ölçüm penceresi kaçırılabilir.
Sunulan teknolojinin sınırlamaları, kapsüllemeden sonra hücreleri daha fazla manipüle etme yeteneğinin kısıtlı olmasını içerir. Bu nedenle şu anda uyarıcılar, antikorlar veya ek reaktifler eklemek veya çıkarmak mümkün değildir. Ek olarak, hücreler izole edilmiş biyoreaktörlerinde kapsüllendiğinden, ölçüm sırasında hücreler arasında herhangi bir etkileşim (temas tabanlı veya parakrin sinyalleme) gerçekleşemez. Bu sınırlama, önceden toplu inkübasyonlarla kısmen aşılabilir. Ayrıca, salgılanan sitokinlerden artmış otokrin etkiler de mümkündür ve bu etkiler, yalnızca antikor tarafından tespit edilen salgılanan sitokinler ölçüldüğü için kesin olarak ölçülemez veya dışlanamaz. Bu nedenle, sitokin sekresyonu ile ilgili izole görüş her zaman ilgili soru ve uygulama bağlamında tanımlanmalıdır. Bununla birlikte, bu sınırlama, ilgi çekiciyse, kapsüllenmiş katlar, çiftler ve üçlülerin ayrıntılı çalışması için de kullanılabilir. Bu, hücre-hücre temasını veya parakrin tabanlı soruları araştırmak için yararlı olan ilginç bir kurulum sağlayacaktır. Son olarak, testin dinamik aralığı da sınırlıdır ve spesifik uygulamaya uyarlanması gerekir. Burada, testin dinamik aralığını, ölçülen sitokinlerin beklenen salgılanan miktarına uyarladık.
Tahlilin yeteneklerini ve uygulanabilirliğini daha da ilerletmek için, gelecekte biyolojik, teknik ve veri analizi yönlerinde çeşitli gelişmeler ele alınabilir. Biyolojik açıdan, ek sitokinlerin, diğer salgılanan proteinlerin, metabolik veya hücre yüzeyi belirteçlerinin ölçümü, testin uyarlanmasıyla entegre edilebilir. Ayrıca, bu tahlil, okumaları genişletmek için diğer hücre bazlı tahlillerle birlikte bir iş akışına entegre edilebilir (örneğin, akış sitometrisi boyama veya dizileme). Ek olarak, tahlilin kullanılabilirliği, örneğin damlacık oluşturma ve gözlemleme için entegre bir mikroakışkan çip oluşturularak basitleştirilebilir, böylece potansiyel olarak klinik bir ortamda biyomühendislik laboratuvarları dışında daha geniş bir uygulama mümkün kılınabilir. Veri analizi ile ilgili olarak, görüntülerden bilgilerin çıkarılması ve izlenmesi, otomasyonun geliştirilmesi ve makine öğrenimi yaklaşımlarının kullanılmasıyla, örneğin floresan etiketleme olmadan her damlacıktaki hücrelerin ve boncuk çizgisinin varlığını ve konumunu tespit ederek genişletilebilir. Bunu yapmak, immünolojik testler için kullanılabilecek ek floresan kanalları açacak ve paralel olarak daha fazla sitokinin ölçülmesine neden olacaktır.
Sunulan tahlil ve ilgili protokoller ve analiz, sitokin sekresyon dinamikleri ile ilgili çeşitli potansiyel kullanım durumları için uygulanabilir. Daha spesifik olarak, tahlil, hücre tipi ve aktivasyona özgü sitokin sekresyon profillerinin tanımlanması, sitokin salgılayan hücrelerin poliişlevselliği veya sitokin dengelerinin zamansallığı ve bakım mekanizmaları gibi temel immünolojik soruları potansiyel olarak ele alabilir. Ayrıca, klinik uygulamalarda platform, COVID-1930'da gözlemlendiği gibi aktif veya kronik inflamatuar yanıtlar sırasında sitokinlerin rolünün çözülmesini sağlayabilir veya otoinflamasyonda olduğu gibi benzersiz imzalara dayalı olarak hastaları sınıflandırmak ve tedavileri kişiselleştirmek için bir araç sağlayabilir31. Sonuç olarak, tek hücrelerden sitokin sekresyonunun kantitatif zaman çözümlü değerlendirmesi, belirli bir ilacın, enfeksiyonun, genetik değişikliğin veya ex vivo stimülasyonun belirli bir yanıtı nasıl indüklediğini açıkladığı için çok ihtiyaç duyulan bir yöntemdir.