Mekano-Düğüm-Gözenek Algılama: Çok Parametreli Tek Hücreli Viskoelastik Ölçümler için Hızlı, Etiketsiz Bir Platform
2 Aralık 2022
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.
Tek hücrelerin mekanik fenotiplemesi için elektronik tabanlı bir mikroakışkan platform sunuyoruz. Spesifik olarak, tek hücreli elastik ve viskoz özellikleri, saniyede 10 hücreye kadar bir verimde ölçüyoruz. Yöntemimiz minimum numune hazırlama gerektirir, pahalı optik donanımın ve karmaşık görüntü analizinin yerini alan basit bir elektronik ölçüm kullanır ve tahribatsızdır, yani yaklaşımımız aşağı akış analizleriyle uyumludur.
Mekano-NPS, birincil örnekler de dahil olmak üzere birçok hücre tipine uygulanmış ve hücre altı bileşenlerin tek hücreli viskoelastisite üzerindeki etkisini ölçmüştür. Hücre davranışını anlamak, hastalığın ilerlemesini belirlemek veya ilaç yanıtını izlemek için kullanılabilir. Başlamak için, plazma ile muamele edilmiş bileşenleri plazma odasından çıkarın.
Pipet, önceden imal edilmiş elektrotlarla cam substrat üzerinde iki ila bir metanol ve deiyonize su çözeltisidir. Ardından, PDMS kalıbını, özelliği cam alt tabakanın üzerine yan yana gelecek şekilde yerleştirin. Hizalamayı ayarlamak için cihazı stereoskobun altına yerleştirin.
Cihaz imalatını tamamlamak için hizalanmış cihazı pişirin. Basınç kaynağını, PCB'yi, tezgah üstü donanımı ve veri toplama yazılımını hazırlayın. Ardından, kelepçe başlık pimlerini PCB üzerindeki deliklerle hizalayın ve kelepçe yaylı pimleri mikroakışkan cihazdaki elektrot temas pedleriyle hizalayın.
Ardından, kelepçe başlık pimlerini PCB deliklerine takın ve yaylı pimlerin elektrot temas pedleriyle aynı hizada kalmasını sağlayın. Elektronik donanımı kurun ve bağlayın. Ardından, veri toplama oturumunu başlatmak için değerleri ayarlayın ve edinme için örnekleme hızını ayarlayın.
Kültür ve hücreleri uygun hücre kültürü protokolüne göre hazırlayarak hücre hattını tercih eder. Daha sonra hücreleri, mililitre başına 100.000 ila 500.000 hücre arasında bir konsantrasyonda% 2 FBS ve 1X PBS'lik hazırlanmış bir çözelti içinde askıya alın. Deney süresince hücreleri buz üzerinde tutun.
Hücreleri mikroakışkan cihaza yüklemek için, 30 santimetrelik politetrafloroetilen boruyu bir tıraş bıçağı ile kesin. Hücre örneğini borunun ucuna bırakmak için bir şırınga kullanın ve aynı ucu cihaz girişine bağlayın. Son olarak, borunun karşı ucunu mikroakışkan basınç kontrolörüne bağlayın.
Denemeyi çalıştırmak için, basınç kontrol cihazı yazılımında istenen sabit sürüş basıncını ayarlayın ve numunenin cihazı doldurmasına izin verin. Mikroakışkan kanallarda kabarcıklar oluşursa, çıkmaz dolum kullanın. Cihaz çıkışını takın ve gaz geçirgen PDMS'den havayı dışarı çıkmaya zorlamak için girişe düşük bir basınç uygulayın.
Ardından, güç kaynağı üzerindeki voltaj düğmesini döndürerek istediğiniz voltajı ayarlayın ve açma düğmesine basarak voltajı etkinleştirin. Mevcut preamplifikatörü açın ve hassasiyeti mümkün olduğunca düşük bir değere ayarlayın. Alternatif olarak, ön amplifikatörü aşırı yüklemeden veya DAQ'nın maksimum analog giriş voltajını aşmadan kazancı mümkün olduğunca yükseğe ayarlayın.
Veri toplama komut dosyası NPS'yi başlatmak için MATLAB şerit menüsündeki yeşil Çalıştır düğmesine basın. m'ye dokunun ve verileri örneklemeye ve kaydetmeye başlayın. Denemeyi sonlandırmak için, veri toplama komut dosyasını sonlandırmak üzere canlı çizim penceresinin sol alt köşesindeki Durdur düğmesine basın.
Ardından Açma (On) düğmesine basarak güç kaynağı çıkışını devre dışı bırakın. Son olarak, basınç kontrol yazılımı içinde basınç kaynağını sıfır basınca ayarlayın. Veri analizi için, ham sinyal, gürültüyü filtrelemek ve önemli bileşenleri çıkarmak için yeterli bir sinyal-gürültü oranına sahip olmalıdır.
Kritik olarak, her düğümden gelen akım sinyali yükselişi, alt darbelerin fark sinyalinden kolayca tanımlanabileceği kadar sağlam olmalıdır. Malign MCF-7 hücreleri, malign olmayan MCF-10A hücrelerinden daha büyük bir wCDI dağılımına sahiptir, bu da malign MCF-7 hücrelerinin malign olmayan MCF-10A muadillerinden daha yumuşak olduğunu gösterir. Latrunkülin ile tedavi edilen MCF-10A ve MCF-7 hücreleri wCDI'da bir artış göstermektedir.
İki birincil hücre tipini farklılaştıran farklı bir wCDI dağılımı, LEP hücrelerinin MEP hücrelerinden daha yumuşak olduğunu gösterir. Malign olmayan MCF-10As ve tedavi edilmemiş MCF-10A ve MCF-7'ler, anında iyileşen hücrelerin daha büyük bir oranına sahiptir ve bu da malign veya latrunculin ile tedavi edilen muadillerinden daha düşük viskoziteye işaret eder. Canlı akım okuması anormal görünüyorsa, denemenizi durdurun ve mikroakışkan kanalı inceleyin.
Hava kabarcığı olmadığından ve hücrelerin girişten çıkışa serbestçe akacağı şekilde tıkanmadığından emin olun. Yöntemimiz hücrelere zarar vermediğinden, RNA-seq veya immünofloresan gibi aşağı akış analizleri yapılabilir. Bu, hücrelerin farklı mekanik fenotiplere sahip olmasının altında yatan bazı nedenleri ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu makalede, mekanik olarak tek hücreleri karakterize etmek için elektronik tabanlı mikroakışkan platform olarak bilinen mekano-node-pore sensörü (mekano-NPS) yöntemini sunulmaktadır. Platform, dakikada 10 hücreye kadar olan verimde hücrelerin hem elastik hem de viskoz özelliklerinin ölçülmesini sağlar ve minimal numune hazırlama ile yıkıcı olmayan analiz olanağı sunar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Hücre Biyolojisi
- Mikroakışkanlık
Arka Plan
- Mekano-NPS, tek hücre mekaniğini incelemek için yenilikçi bir platformdur.
- Yöntem, primer örnekler dahil olmak üzere çeşitli hücre tiplerinin analizini sağlar.
- Hücrelerin viskoelastik özellikleri hakkında bilgiler sunar.
- Yaklaşım, sonraki analizlerle uyumlu olup araştırma kullanışlılığını artırır.
Çalışmanın Amacı
- Tek hücrelerin mekanik karakterizasyonu için bir yöntem geliştirmek.
- Hücrelerin elastik ve viskoz özelliklerini verimli bir şekilde ölçmek.
- Hücre davranışı ve hastalık ilerlemesinin anlaşılmasına yardımcı olmak.
Kullanılan Yöntemler
- Hücre analizi için elektronik tabanlı mikroakışkan platform.
- Tek hücre viskoelastikliğinin ölçülmesi.
- Gerekli minimum numune hazırlama.
- Sonraki analizlerle uyumlu yıkıcı olmayan ölçüm.
Ana Sonuçlar
- Çeşitli hücre tiplerinin elastik ve viskoz özelliklerinin başarılı bir şekilde ölçülmesi.
- Mekano-NPS'nin subselüler bileşenlerin incelenmesinde uygulanmasının gösterilmesi.
- İlaç tepkilerinin izlenmesi ve hastalık mekanizmalarının anlaşılması potansiyeli.
Sonuçlar
- Mekano-NPS, hücrelerin mekanik karakterizasyonu için değerli bir araçtır.
- Platform, geleneksel yöntemlere kıyasla maliyet-etkili bir alternatif sunar.
- Hücre mekaniği ve biyofizik araştırmalarında yeni yollar açar.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Mechano-node-pore sensing (mechano-NPS) enables rapid, label-free, multi-parameter viscoelastic profiling of single cells, addressing the need for higher-throughput, quantitative mechanical phenotyping in discovery-stage biopharma R&D. By providing both elastic and viscous measurements at moderate throughput with minimal sample preparation, this platform supports predictive confidence in target validation and mechanistic de-risking. Its compatibility with downstream analyses positions it as a reusable capability for portfolio-wide biological interrogation and risk-adjusted advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of cell mechanical phenotypes relevant to disease progression and drug response.
- Supports functional target validation by distinguishing cell states based on viscoelastic properties.
- Facilitates mechanistic de-risking by linking subcellular components to measurable biophysical outputs.
- Provides multi-parameter data to inform predictive confidence and triage in early discovery.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, label-free mechanical phenotyping assays for downstream compound screening.
- Delivers standardized, reproducible, and quantitative viscoelastic readouts for assay development.
- Enables moderate-throughput screening readiness without reliance on complex optical systems.
- Supports reliable evaluation of compound effects on cell mechanics.
Translational & Preclinical Research
- Aligns mechanical phenotyping with disease-relevant cellular states for translational biomarker exploration.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by enabling downstream molecular analyses.
- Provides risk-adjusted data for advancement decisions based on biophysical cell state changes.
- Offers predictive de-risking for mechanistic hypotheses in disease models.
Pipeline & Workflow Integration
Mechano-NPS integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking at the single-cell level.
- Discovery Biology: Quantifies viscoelastic properties to test mechanistic hypotheses and clarify disease pathways.
- Screening: Provides reproducible, quantitative outputs for compound evaluation and assay standardization.
- Analytics: Generates multi-parameter measurements (size, deformation, recovery) for robust statistical comparison.
- Translational Research: Supports biomarker alignment and downstream molecular profiling of phenotyped cells.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, adaptable platform for repeated use across diverse cell types and programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable, and reproducible mechanical phenotyping with minimal sample prep.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions and capital efficiency by providing actionable biophysical data early.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement across multiple discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidics, electronics-based measurement, and data analysis.
- Needs access to standard soft lithography fabrication and electronic data acquisition infrastructure.
- Demands cross-team standardization for sample preparation and data interpretation.
- Adaptable to a range of cell types and compatible with downstream molecular analyses.
- Throughput is moderate (up to 10 cells/sec), balancing depth of measurement with screening needs.
