Summary

マイクロパターンエラストマーを使用したシングルセル収縮性の簡素化されたハイスループット分析

Published: April 08, 2022
doi:

Summary

この研究は、蛍光タンパク質マイクロパターンの可視化された変位に基づいて単一細胞収縮力の単純化されたハンズオフ定量化のために、マイクロウェルフォーマットで蛍光標識エラストマー収縮性表面(FLECS)技術を利用するための柔軟なプロトコルを提示する。

Abstract

細胞収縮力生成は、事実上すべての細胞に共通する基本的な形質である。これらの収縮力は、適切な発達に不可欠であり、細胞レベルと組織レベルの両方で機能し、体内の機械的システムを調節する。多数の生物学的プロセスは、運動性、接着、および単一細胞の分裂、ならびに心臓、膀胱、肺、腸、および子宮などの器官の収縮および弛緩を含む、力に依存する。適切な生理学的機能を維持する上での重要性を考えると、細胞収縮性はまた、誇張または破壊されたときに疾患プロセスを促進する可能性がある。喘息、高血圧、早産、線維性瘢痕化、および不活動膀胱はすべて、細胞収縮力の適切な制御によって潜在的に緩和され得る機械的に駆動される疾患プロセスの例である。ここでは、蛍光標識エラストマー収縮性表面(FLECS)として知られる新しいマイクロプレートベースの収縮性アッセイ技術を利用するための包括的なプロトコルを提示し、単一細胞収縮性の簡便で直感的な分析を大規模に行うことができます。本明細書では、我々は、原発性ヒト膀胱平滑筋細胞の収縮に対する2つの収縮阻害剤の効果を記述する2つの6点用量反応曲線を得るための段階的なプロトコールを、単一のFLECSアッセイマイクロプレートを利用する簡単な手順で提供し、この方法の使用者に適切な技術を実証する。FLECS技術を使用すると、基本的な生物学研究所と蛍光顕微鏡システムを持つすべての研究者は、この基本的ではあるが定量化が困難な機能的な細胞表現型の研究にアクセスでき、力生物学の分野への参入障壁を効果的に低下させ、収縮性細胞力の表現型スクリーニング。

Introduction

細胞が生成する機械的な力は、腸、膀胱、心臓など、全身のさまざまな臓器で適切に機能するために不可欠です。これらの器官は、内部恒常性状態を維持するために、細胞収縮および弛緩の安定したパターンを生成しなければならない。異常な平滑筋細胞(SMC)の収縮は、例えば、腸平滑筋収縮の異常なパターンを特徴とする腸運動障害1、ならびに過活動2 または低活動膀胱3の泌尿器科的状態を含む様々な障害の発症をもたらし得る。気道内では、不規則な収縮パターンを示すSMCが喘息過敏症4を引き起こし、気道を締め付け、肺への酸素の気流を減少させる可能性があります。もう一つの広範な身体状態である高血圧症は、血管内の平滑筋収縮の変動によって引き起こされます5。明らかに、細胞および組織内の収縮メカニズムは、治療の選択肢を必要とする疾患につながる可能性がある。これらの状態は間違いなく細胞の機能不全の収縮挙動に由来するため、潜在的な薬物候補をスクリーニングする際には、細胞の収縮機能自体を測定することが論理的かつ必要になります。

細胞収縮力を研究するためのツールの必要性を認識し、牽引力顕微鏡(TFM)6、マイクロパターンTFM7、フローティングゲルアッセイ8、エラストマーマイクロポストアッセイ9を含むいくつかの定量的収縮アッセイ法が学術研究者によって開発されています。これらの技術は、多くの研究でシングルディッシュ形式およびマルチウェルプレート形式で利用されており、3次元力測定にも提案されています10,11,12,13,14。これらの技術は、細胞力生物学の広大な分野で先駆的な研究を可能にしましたが、それらはすべて、TFM基質を製造する能力、TFM変位マップを解決するために複雑で直感的でないアルゴリズムを適切に適用する能力、およびステージからのサンプル除去の前後に撮影された画像を登録できる比較的正確な顕微鏡システム(細胞解離用)など、特定の能力とリソースを持つラボに大きく制限されていました。したがって、訓練を受けていない研究者にとって、これらの技術を適用するための広範な要件を考えると、これらの方法を使用するための参入障壁は非常に高くなる可能性があります。さらに、多くの既存技術(40倍以上の目標)に必要なイメージング分解能は実験スループットを大幅に制限する可能性があり、バルク測定技術は外れ値細胞からの寄与を隠し、より穏やかな収縮差の発見を妨げる可能性があります。注目すべきは、著者らが認識している限り、低スループットで半定量的なフローティングゲルアッセイアプローチのみが十分に成熟し、研究者が利用できるようになったことです(図1参照)。

Figure 1
1:FLECS技術法の全体的な概略図。(A)細胞は、ガラスで支持された薄いエラストマー層に共有結合で埋め込まれた接着タンパク質マイクロパターンに接着される。(B)様々な可能なマイクロパターン形状の上面図と、「X」字型のマイクロパターンを収縮させるセルの爆破。(c)収縮細胞の蛍光マイクロパターンと位相差画像のオーバーレイ。(D)単一の収縮細胞の経時変化画像。スケールバー = 25 μm。この図はプシュカルスキーらの許可を得て翻案された15この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

マイクロテクノロジーの最近の進歩に続いて、著者らは、FLECS(蛍光標識されたエラストマー収縮性表面)と呼ばれる数十万の細胞における単一細胞収縮の定量的測定を可能にするマイクロプレートベースの技術を開発しました15,16,17,18,19,20。、TFM の代替として。このアプローチでは、蛍光タンパク質のマイクロパターンが柔らかいフィルムに埋め込まれ、細胞が牽引力を加えると変形および収縮します。重要なことに、タンパク質マイクロパターンは細胞の位置、形状、および広がり領域を制約し、均一な試験条件をもたらす。これらは、4倍の倍率画像でも空間的に高度に分解される寸法変化のみに基づいて簡単な測定を可能にします。この方法は、ブラウザベースの画像解析モジュールを含み、繊細な取り扱い手順や受託者マーカーの登録を必要とせずに、収縮性細胞力の簡単な解析を可能にし、基本的な細胞培養施設と低倍率の単純な蛍光顕微鏡を備えた研究者であれば誰でも操作できるはずです(図2).この技術は、すぐに入手でき、市販されており、エンドユーザーを念頭に置いて設計されており、実験室の科学者が細胞力生物学を研究するための参入障壁を減らすことを目的としています。

Figure 2
図2:単一細胞収縮性アッセイ用の24ウェルプレートフォーマットの概略図。 この形式は、ここに記載されている実験で使用され、記事のビデオ部分に描かれています。スケール バー = 25 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

この研究では、FLECSテクノロジープラットフォームの24ウェルプレート形式を適用して、原発性膀胱平滑筋細胞の細胞収縮性に対する力調節薬の効果を定量化するためのプロトコルを提示する。この汎用プロトコルは、関心のある他のさまざまなタイムスケール、細胞型、および治療条件を説明するために必要に応じて適応および変更することができ、力生物学における他の質問に答えるためにスケーリングすることができる。

Protocol

1. 1日目:24ウェルプレートの作製 50 mL の円錐形チューブに 20 mL の細胞培養培地を加えることから手順を開始します。この実験では、10%ウシ胎児血清(FBS)を添加したF12ハムベースの培地が使用される。 細胞収縮性をアッセイするように設計された24ウェルプレートを得る。ピペットを500 μLに設定し、細胞継代用の細胞ストレーナーを得た。注:プレートは、要求に応じて著者から入手可能です。 プレートを片手で持ち上げて持ち、プラスチックフィルムをプレートの上部から静かに剥がします。その後、プレートを慎重に下ろします。 真空アスピレーターの電源を入れ、こぼれを防ぐためにウェルからリン酸緩衝生理食塩水(PBS)の最上層を吸引します。PBS を一度に 1 行ずつ削除します。ウェルが完全にいっぱいでなくなったら、片手でプレートを持ち、残りのPBSをウェルから慎重に取り除きます。500 μLの細胞培養培地を素早く充填する。アスピレーターと井戸の底との接触を避けるように注意してください。 プレートを優しく振って側面をタップすると、ウェルの底全体が溶液で覆われていることを確認します。すべてのウェルが培地で満たされたら、プレートを側面にセットします。 2. 1日目:細胞播種 継代7以下の初代ヒト膀胱平滑筋(BSM)細胞を37°Cのインキュベーターから培養フラスコに取り出す。顕微鏡下で、細胞の形態をチェックし、細胞が少なくとも90%のコンフルエント度まで成長し、100%未満のコンフルエント度に成長していることを確認します。 細胞解離プロトコルを実施する。滅菌バイオセーフティキャビネット内で、細胞が剥離するまで2.5分間細胞をトリプシン処理してから、血清添加培地(10% FBS)で細胞をクエンチします。 細胞が解離したら、血球計数器を使用して細胞を計数し、血清添加培地で細胞懸濁液を約50,000細胞/ mLに希釈する。重要なことに、細胞はマイクロパターンに付着するために少なくとも2%の血清を必要とする。 播種前に、40 μm または 100 μm の細胞ストレーナーを通して細胞懸濁液を血清学的ピペット付きの 50 mL 円錐形チューブに急速にこじ開け、細胞の凝集塊を単一細胞に分解します。 P1000ピペットを使用してプレート上の24ウェルのそれぞれに500 μLの500 μLの細胞懸濁液を慎重に加え、ウェル内の異なる位置に溶液を滴下します。 細胞播種後、プレートを室温で1時間放置して、蒸発によって発生するマイクロ電流の影響を受けずに細胞がマイクロパターンに直接沈降するようにします。1時間後、プレートを37°Cのインキュベーターに一晩入れる。細胞は、この間に自己集合して接着マイクロパターン上に広がり、基礎収縮レベルを発揮し始める。 3. 2日目:被験薬の添加 注:接着細胞を含むウェル中のジメチルスルホキシド(DMSO)の最終濃度は1%を超えてはならず、薬物/ DMSOを細胞に直接添加することはできませんが、最初に希釈して細胞培地の中間溶液に混合する必要があります。 30 μL のストック薬物を連続する 210 μL 容量の DMSO に移し、各移送ステップ間で十分に混合することにより、6 段階、8 倍の薬物希釈シリーズを作成します。この作業では、ブレビスタチンの6段階、8倍希釈シリーズを、DMSO中で40μM〜1nMの範囲の用量で調製する。 各ストック薬物溶液(ステップ3.1から)について、30μLの薬物を470μLの細胞培養培地に混合する。中間溶液は、DMSOの16.7倍希釈をもたらす。 各中間溶液200 μLを24ウェルプレート上の適切なウェルに移す(各ウェルにはすでに100 μLの培地が含まれている)。これにより、DMSOのさらなる6倍希釈が得られる。 ステップ3.2および3.3は、ウェル中に1%の最終濃度のDMSOをまとめて得る。 処理したプレートを37°Cのインキュベーターに適切な期間置く。この実験のために、30分間のインキュベーションが使用される。 イメージングの直前に、ヘキスト33342生きた核染色溶液を各ウェルに添加する(1:10,000最終希釈)。細胞核を標識するためにさらに15分間インキュベートする。 4. 2日目:ウェルプレートのイメージング 細胞核(DAPI)とマイクロパターン(TRITC)の両方のチャンネルを画像化する機能を備えた顕微鏡にアクセスします。 まず、DMSOのみで細胞を画像化します。 次に、マイクロパターンと標識細胞核の両方に焦点を合わせて画像化して、単一細胞を識別し、両方のチャネルが完全に整列し、自動画像解析を可能にします。 プレート上の24ウェルのそれぞれで複数の位置で繰り返します。画像は、4倍の対物レンズで撮影することができます(または、画像化を迅速化し、画像ごとに最大のデータポイントを取得するために、オプションで高くすることができます)。 画像をTIFファイルとしてエクスポートし、ImageJでWeb接続されたコンピュータで開いてデータを分析します。 5. 実験後:画像解析 メモ: 画像解析は、ポータルおよびイメージングソフトウェア Biodock.ai 使用して実行しました。 取得した画像をコンピュータにアップロードします。 対応するマイクロパターン画像と核画像のペアに適切な名前が付けられていることを確認します。 マイクロパターン イメージ名がすべて “sharedCoreName_pt.tif” の形式であることを確認します。 中核イメージ名がすべて “sharedCoreName_dapi.tif” の形式であることを確認します。 ImageJを使用して画像をTIFからPNGに変換します。 ImageJ を開いたら、一度に 1 つのチャンネルにロードします。この実験では、まずマイクロパターン画像をスタックとして ImageJ に読み込みます。 「画像>>明るさ/コントラストの調整」を使用して、画像の明るさを調整してマイクロパターンを強調し、背景を黒に縮小します。これに加えて、画像を滑らかにします。 [イメージ>タイプ] > 8 ビットを使用して、イメージを 8 ビットに変換します。 次に、画像をPNGタイプにエクスポートし、ファイル名としてスライスレベルチェックボックスをオンにします。次に、新しいフォルダPNGを作成し、そこにPNGファイルを同じ名前で保存します。 核画像に対してこのプロセスを繰り返します。 PNG画像ペアを解析用の画像処理ソフトウェアにアップロードします。 アカウントを作成して検証します。著者らは、アカデミックユーザーへのオープンアクセスを可能にするアカウントを持っています。 著者に連絡してアカウントを検証します。 ソフトウェアにログインします。 左側の [ データ ] タブで、[ バッチのアップロード] をクリックします。 画像ペアをポップアップウィンドウにドラッグアンドドロップして画像をインポートし、バッチに名前を付けます。「 OK」をクリックします。 バッチ名の横にあるチェックボックスをオンにして、「 分析」をクリックします。 次の画面で、下にスクロールして [ 収縮性分析] の横にあるチェックボックスをオンにし、[ 選択] をクリックします。ページの下方で、ドロップダウンメニューからイメージングに使用した倍率として 10x を選択します。 「送信」をクリックします。データ分析で [完了] と読み取られたら、バッチ名をクリックします。次の画面で、ページの右側にある [データのダウンロード] をクリックします。注:ダウンロードされたファイルには、分析された画像、各画像の平均収縮を報告する要約結果、および任意の画像で検出されたすべてのマイクロパターンの詳細な分析が含まれ、サイズ、位置、接着細胞数、および収縮を報告します。 薬物濃度に対して収縮値をプロットして濃度応答曲線を生成し、異なる治療の相対的効力を決定する。

Representative Results

DMSOのみで処理したウェルと40μMのブレビスタチンで処理したウェルから取得した画像の領域を 図3に並べて示す。DMSOのみの処理された細胞は、その井戸内の膀胱平滑筋細胞(BSMC)によって接着されたマイクロパターンの非常に顕著な変形に基づいて有意なレベルの収縮を示すことが明確に観察され得る。逆に、40μMのブレビスタチンで処理したウェルの画像では、BSMCによって接着されたマイクロパターンが細胞によって接着されていないマイクロパターンとサイズがほとんど区別できないため、有意な細胞弛緩が観察され7 、最小限の収縮を示す。これらの画像は、蛍光マイクロパターニング法によって提供される単一細胞収縮性の直感的で明確な視覚的表現を示しています。高密度の細胞単層の下にランダムに分布する多数の蛍光粒子の全方向移動が相対的な収縮力を伝えることを意味するTFMベースの方法とは異なり、ここでは、マイクロパターンの均一でマークされた収縮形状は、個々の細胞の収縮に関する即時かつ容易に解釈可能な定性的情報を提供する。これらは、画像に標準のバイナリオブジェクト操作を適用することによって直接定量化できます。 図3:1%DMSO処理のみを含むウェル(左)または40μMのブレビスタチンを含むウェル(右)で撮影した画像を並べて比較した。 ブレビスタチンによる治療は、より大きな非収縮マイクロパターンによって示されるように、単一細胞の収縮性を有意に低下させることが明確に観察され得る。青い核は、どのマイクロパターンが細胞によって結合しているかを示す。スケール バー = 25 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 ブラウザベースの解析モジュールを適用して、取得したマイクロパターンと細胞核の画像ペアを解析することにより、 図4に示すように、集団ごとに単一細胞収縮性分布が得られる。FLECS方法論に関する以前の報告書15で詳細に説明されているように、この分析は、各「X」字型マイクロパターンの位置と向きを特定し、各マイクロパターンの中心に直接付着した核の数を数え、各マイクロパターンの平均長さを計算し、空のマイクロパターンの平均長さに対する各マイクロパターンの収縮のピクセル距離を計算することによって機能します(ゼロ収縮基準)。したがって、空のマイクロパターンは、収縮データを正規化する重要な目的を果たす。重要なことに、マイクロパターンに結合しない細胞は、微小電流のために井戸境界に蓄積し、画像解析には影響しません。これらのプロットに見られるように、DMSOコントロールのみで処理された細胞集団の摂動のない収縮性は、20ピクセルという広い範囲にまたがり、中心は約10ピクセルに見られます。一方、ブレビスタチンで処理された細胞は収縮が著しく少なく、その分布は6ピクセル強の中心に押し下げられます。重要なことに、細胞上で正確に結合する画像に見られるすべてのマイクロパターンは、これらの分布で表されます。これは、薬物治療に異なる細胞応答を伝える方法の能力を実証する。 図4:1%DMSOのみ(青色)または40μMブレビスタチンを含むウェルについて撮影した画像の分析から得られた単一細胞収縮性データを示すヒストグラム。 DMSO処理細胞の分布は、ブレビスタチン処理分布よりもはるかに大きな収縮値(〜10ピクセル)で広く中心にあり、細胞をブレビスタチンで処理することの定量的効果を実証する。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 単一の24ウェルプレート上のすべてのウェルを利用し、ウェルあたり少なくとも3つの部位をイメージングすることにより、2つの薬物化合物について6点の用量反応曲線が同時に生成される。 図5 は、同じ用量のブレブビスタチンまたはサイトカラシンD(いずれも既知の収縮性阻害剤)で処置したBSMCについての濃度応答データを示す。濃度応答プロファイルから明らかなように、サイトカラシンDは、これらの細胞における強壮収縮のより強力な阻害剤である。シグモイド曲線をデータポイントに当てはめることにより、各薬剤のIC50 値を計算できます。我々の実験は、IC50 がブレビスタチンおよびサイトカラシンDについてそれぞれ7.9μMおよび100nMであり、薬物への〜30分間の曝露後であることを示している。重要なことに、全体として、これらの値は、収縮阻害剤の効力を決定するための方法の定量的精度を検証し、 以前の報告と一致している7、21。 図5:単一細胞における細胞収縮性に対するブレブビスタチンおよびサイトカラシンDの効果を示す濃度応答曲線。 各データ ポイントは、その条件の 3 つの画像で構成されます。シグモイド曲線を各データセットに適合させた。結果は、サイトカラシンDがより強力であり、より低いIC50 値を有することを示している。このデータは、単一の24ウェルFLECSプレートから収集可能です。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

標準的な顕微鏡検査機器のみを使用して、異なる処理条件下で一度に数十万個の細胞の収縮を定量的に測定するこの簡素化された方法は、研究者が細胞力生物学を研究するための従来のTFMのアクセス可能な代替手段を提供します。提示された技術は、規則的な形状の蛍光マイクロパターンの変化を分析することによって細胞収縮の視覚的表示を提供するので、任意の細胞によって生成される収縮の大きさは直感的に理解される – マイクロパターンが小さいほど、細胞によって加えられる収縮力は大きくなる。

特に、マイクロパターン(細胞収縮性を調節することが知られているすべての因子22,23,24)を含む形状、拡散領域、接着分子などの因子を制御することにより、提示された技術は細胞収縮研究の解釈を混乱させる可能性のある追加の変数を体系的に排除する。

本実験では、ゲルに10kPaの剛性を用い、IV型コラーゲンからなる70μm(対角線長)のマイクロパターンを用いた。これらのパラメータに加えて、接着分子は、様々なコラーゲン、フィブロネクチン、ゼラチン、および他の細胞外マトリックス(ECM)で置き換えることができる。ゲルの剛性は、0.1kPaまで、そしてMPa範囲まで調整することができます。マイクロパターン形状は、約5μmの最小特徴サイズを有する任意の形状になるようにde novoを設計することができる。これらのパラメータは分離されており、特定の生物学的文脈に対して独立して最適化することができる。

この技術は、様々な平滑筋細胞型(初代ヒト膀胱、腸管、気管、気管支、子宮、大動脈、動脈)、間葉系幹細胞およびその分化子孫、種々の線維芽細胞(肺、真皮、および心臓)、筋線維芽細胞、および内皮細胞を含む間葉表現型の高接着性および収縮性細胞型と適合性があることが広く検証されている。さらに、単球由来マクロファージは、特にマイクロパターンが既知のオプソニンからなる場合、マイクロパターン上に大きな測定可能な貪食力も生じるであろう。種々の癌株もまた、この方法を用いてアッセイすることができる。

この方法は、T細胞や好中球などの比較的小さい細胞、または主に上皮表現型を有する細胞型での使用にいくつかの課題を提起する可能性がある。この主な理由は、測定可能な収縮シグナルを生成するために、この方法がマイクロパターン上の強い接着および細胞の完全な広がりに依存しているからである。弱く結合する、互いに結合する、または完全に広がらない細胞は、測定可能な収縮シグナルを産生しない。これらの挙動は比較的まれですが、マイクロパターンのサイズを小さく調整するか、マイクロパターン内で接着と拡散をよりよく促進する代替接着分子を使用することによって軽減できます。

この技術のユーザーは、異なる成分、成長因子、血清レベル、およびpH感受性が異なる細胞において変動する挙動を駆動する可能性があるため、関心のある特定の細胞タイプに対して異なる可能な細胞培養培地製剤を慎重に評価しなければならない。プロトコルの最適化は、実験ワークフローのスケーリングに先立って行うべきであり、メディアコンポーネントは常に新鮮で無菌で、以前のバッチと一貫していなければならない。

最終的に、シングルセル分解能がユーザーの目標に必要でない場合、またはターゲットセルタイプが最小の拡散容量を有する場合、従来のTFMはそのような実験に同等またはより適している可能性がある。著者らの目的と希望は、このツールが、特に自動化されたハイスループット表現型薬物スクリーニングの文脈において、細胞生物学者が細胞収縮を研究するためのさらなる道を提供することである。

薬物スクリーニングにおける将来の使用に特有の、384ウェルFLECSプレートなどのより高いスループットプレートが使用されてもよい。このようなプレートでは、多くの顕微鏡の4倍の対物レンズが視野内の単一のウェル全体をキャプチャし、すべての細胞収縮応答を確実にキャプチャできます。ハイスループットイメージングシステムを使用することで、384ウェルプレート全体を約5分でイメージングできるため、他のオプションよりも劇的に高速であるため、ハイスループット表現型創薬に適しています。実際、著者らは、自動化を使用して、約50の384ウェルプレート(合計19,000ウェル以上)で毎週薬物スクリーニングを定期的に実行しています。

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

実験室での研究は、Forcyteが研究活動を後援しているUCLA Molecular Shared Screening Resource(MSSR)と、Forcyte Biotechnologies, Inc.が常駐企業であるCalifornia NanoSystems Institute(CNSI)のMagnify Incubatorの支援を受けて実施されました。著者らは、要求に応じて、すべての学術研究者に Biodock.ai のFLECS分析モジュールへのアクセスを許可します。L.H.とI.P.はこの仕事に等しく貢献しました。

Materials

Bladder smooth muscle cell culture Sciencell #4310
Blebbistatin Sigma-Aldrich B0560
Cell culture media Thermofisher 11765054 Ham's F12 medium supplemented with 10% FBS and 1% p/s
Cell strainer Fisher Scientific 7201432
Conical Tube Fisher Scientific 05-539-13
Culture flask Fisher Scientific  FB012941
Cytochalasin D Sigma-Aldrich C8273
DMSO (Dimethyl sulfoxide) Fisher Scientific D1284
Eppendorf tubes Fisher Scientific 05-402-31
Fluorescent microscope Molecular Devices ImageXpress Confocal
Forcyte-manufactured 24-well plate Forcyte Biotechnologies 24-HC4R-X1-QB12
Hoescht 3342 Live Nuclear Stain Thermofisher 62249
Phosphate Buffered Saline (PBS) Fisher Scientific BP39920

References

  1. Ohama, T., Hori, M., Ozaki, H. Mechanism of abnormal intestinal motility in inflammatory bowel disease: How smooth muscle contraction is reduced. Journal of Smooth Muscle Research. 43 (2), 43-54 (2007).
  2. Peyronnet, B., et al. A comprehensive review of overactive bladder pathophysiology: On the way to tailored treatment. European Urology. 75 (6), 988-1000 (2019).
  3. Aldamanhori, R., Osman, N. I., Chapple, C. R. Underactive bladder: Pathophysiology and clinical significance. Asian Journal of Urology. 5 (1), 17-21 (2018).
  4. Sanderson, M. J., Delmotte, P., Bai, Y., Perez-Zogbhi, J. F. Regulation of airway smooth muscle cell contractility by Ca2+ signaling and sensitivity. Proceedings of the American Thoracic Society. 5 (1), 23-31 (2008).
  5. Brozovich, F. V., et al. Mechanisms of vascular smooth muscle contraction and the basis for pharmacologic treatment of smooth muscle disorders. Pharmacological Reviews. 68 (2), 476-532 (2016).
  6. Munevar, S., Wang, Y., Dembo, M. Traction force microscopy of migrating normal and H-ras transformed 3T3 fibroblasts. Biophysical Journal. 80 (4), 1744-1757 (2001).
  7. Tseng, Q., et al. A new micropatterning method of soft substrates reveals that different tumorigenic signals can promote or reduce cell contraction levels. Lab on a Chip. 11 (13), 2231-2240 (2011).
  8. Bell, E., Ivarsson, B., Merrill, C. Production of a tissue-like structure by contraction of collagen lattices by human fibroblasts of different proliferative potential in vitro. Proceedings of the National Academy of Sciences. 76 (3), 1274-1278 (1979).
  9. Tan, J. L., et al. Cells lying on a bed of microneedles: an approach to isolate mechanical force. Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (4), 1484-1489 (2003).
  10. Rokhzan, R., et al. high-throughput measurements of cell contraction and endothelial barrier function. Laboratory Investigation. 99 (1), 138-145 (2019).
  11. Park, C. Y., et al. High-throughput screening for modulators of cellular contractile force. Integrative Biology. 7 (10), 1318-1324 (2015).
  12. Kaylan, K. B., Kourouklis, A. P., Underhill, G. H. A high-throughput cell microarray platform for correlative analysis of cell differentiation and traction forces. Journal of Visualized Experiments. (121), e55362 (2017).
  13. Huang, Y., et al. Traction force microscopy with optimized regularization and automated Bayesian parameter selection for comparing cells. Scientific Reports. 9, 539 (2019).
  14. Franck, C., Maskarinec, S. A., Tirrell, D. A., Ravichandran, G. Three-dimensional traction force microscopy: A new tool for quantifying cell-matrix interactions. PLOS ONE. 6, 17833 (2011).
  15. Pushkarsky, I., et al. Elastomeric sensor surfaces for high-throughput single-cell force cytometry. Nature Biomedical Engineering. 2 (2), 124-137 (2018).
  16. Pushkarsky, I. FLECS technology for high-throughput single-cell force biology and screening. ASSAY and Drug Development Technologies. 16 (1), 7-11 (2017).
  17. Koziol-White, C. J., et al. Inhibition of PI3K promotes dilation of human small airways in a rho kinase-dependent manner. British Journal of Pharmacology. 173 (18), 2726-2738 (2016).
  18. Orfanos, S., et al. Obesity increases airway smooth muscle responses to contractile agonists. American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology. 315 (5), 673-681 (2018).
  19. Tseng, P., Pushkarsky, I., Carlo, D. D. Metallization and biopatterning on ultra-flexible substrates via dextran sacrificial layers. PLOS ONE. 9, 106091 (2014).
  20. Yoo, E. J., et al. Gα12 facilitates shortening in human airway smooth muscle by modulating phosphoinositide 3-kinase-mediated activation in a RhoA-dependent manner. British Journal of Pharmacology. 174 (4), 4383-4395 (2017).
  21. MacGlashan, D., Vilariño, N. Polymerization of actin does not regulate desensitization in human basophils. Journal of Leukocyte Biology. 85 (4), 627-637 (2009).
  22. Hocking, D. C., Sottile, J., Langenbach, K. J. Stimulation of integrin-mediated cell contractility by fibronectin polymerization. Journal of Biological Chemistry. 275 (14), 10673-10682 (2000).
  23. Tolić-Nørrelykke, I. M., Wang, N. Traction in smooth muscle cells varies with cell spreading. Journal of Biomechanics. 38 (7), 1405-1412 (2005).
  24. Ye, G. J. C., et al. The contractile strength of vascular smooth muscle myocytes is shape dependent. Integrative Biology. 6 (2), 152-163 (2014).

Play Video

Cite This Article
Hairapetian, L., Cortes, E., Zhao, J., Wang, Y., Huang, R., Damoiseaux, R., Pushkarsky, I. Simplified, High-throughput Analysis of Single-cell Contractility using Micropatterned Elastomers. J. Vis. Exp. (182), e63211, doi:10.3791/63211 (2022).

View Video