Построение ячеек с использованием стратегии Магнитного Архимеда
Summary
Этот протокол описывает метод создания высокопроизводительных ячеек без чернил, меток, не зависящий от субстрата, основанный на эффекте магнитного Архимеда.
Abstract
Клеточный паттерн, позволяющий точно контролировать их расположение, представляет собой уникальное преимущество в изучении поведения клеток. В этом протоколе представлена стратегия формирования ячеек на основе эффекта Магнитного Архимеда (Mag-Arch). Такой подход позволяет точно контролировать распределение ячеек без использования красящих материалов или частиц этикетки. При введении парамагнитного реагента для повышения магнитной восприимчивости среды клеточной культуры клетки отталкиваются магнитами и выстраиваются в структуру, дополняющую наборы магнитов, расположенные под микрофлюидной подложкой.
В данной статье подробно описаны процедуры формирования ячеек с использованием стратегии, основанной на Mag-Arch. Предложены методы структурирования одноклеточных типов, а также множественных типов клеток для экспериментов с кокультурами. Кроме того, предоставляются подробные инструкции по изготовлению микрофлюидных устройств, содержащих каналы для формирования клеточных структур. Достижение этой функции с помощью параллельных методов является сложной задачей, но может быть выполнено упрощенным и экономичным способом. Использование клеточного паттерна на основе Mag-Arch дает исследователям мощный инструмент для исследований in vitro .
Introduction
Определение клеточных структур превращается в интуитивно понятную и мощную технологию для исследований in vitro 1. Манипулируя положением клеток в культуральных планшетах, он предоставляет решения для различных экспериментов, включая миграцию клеток2, биомиметическую многоклеточную кокультуру3, сборку органоидов4, исследования биоматериалов5 и многое другое. В большинстве ситуаций для нанесения рисунка клеток предпочтительнее метод без чернил и этикеток, поскольку он обеспечивает простоту эксплуатации и высокую жизнеспособность клеток для последующих исследований.
Эффект Mag-Arch — это физическое явление, при котором диамагнитные объекты в парамагнитных жидкостях имеют тенденцию двигаться к областям со слабыми магнитнымиполями. Живые клетки по своей природе диамагнитны, в то время как питательные среды для клеточных культур можно сделать парамагнитными, добавив растворимые парамагнитные элементы, такие как гадопентетат димеглумин (Gd-DTPA), обычно используемый внутривенно в ядерной магнитно-резонансной томографии в качестве контрастного вещества7. Следовательно, ожидается, что клетки будут отталкиваться от окружающей парамагнитной среды и двигаться в области, где магнитныеполя слабее. Паттернированное магнитное поле может быть легко сгенерировано с помощью набора неодимовых магнитов. В идеале клеточные узоры собираются в противовес магнитным узорам. Технически этот метод определяется как метод без меток, потому что единственный дополнительный реагент, Gd-DTPA, остается во внеклеточной среде и не связывается с клетками. Таким образом, потенциального влияния на последующую культуру клеток можно легко избежать, заменив питательную среду. По сравнению с другими методами 1,3,9,10, стратегия, основанная на Mag-Arch, не требует компонентов биочернил или нанесения специфических частиц для положительной маркировки клеток. Кроме того, было показано, что он работает на нескольких субстратах для клеточной адгезии и способен создавать высокопроизводительные клеточные паттерны4.
В этой статье представлен подробный протокол формирования структуры ячеек с использованием метода на основе Mag-Arch, охватывающий все, от изготовления устройства до корректировки структуры ячеек. В дополнение к шаблонам, которые мы продемонстрировали, пользователи могут легко создавать различные узоры ячеек с помощью магнитов и решения Gd-DTPA. Кроме того, предоставляются протоколы для сборки сложных шаблонов кокультур и манипулирования клетками в вложенных микрофлюидных чипах.
Protocol
Representative Results
Discussion
Клеточный паттерн на основе Mag-Arch представляет собой удобное решение для большинства биомедицинских лабораторий. Этот метод развивается параллельно с символами без чернил, без этикеток, независимо от подложки и возможностью высокопроизводительного нанесения рисунков <sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование выполнено при финансовой поддержке Национальной ключевой программы исследований и разработок Китая (2021YFA1101100), Национального фонда естественных наук Китая (32000971), Фондов фундаментальных исследований для центральных университетов (No 2021FZZX001-42) и Научного фонда «Звездная ночь» Шанхайского института перспективных исследований Чжэцзянского университета (грант No 2021). SN-ZJU-SIAS-004).
Materials
| A2780 ovarian cancer cells | Procell | CL-0013 | |
| Cell culture medium (DMEM, high glucose) | Gibco | 11995040 | |
| Cover slides | Citotest Scientific | 80340-3610 | For fabricating microfluidics. Dimension: 24 mm × 50 mm |
| DiD | MedChemExpress (MCE) | HY-D1028 | For labeling cells with red fluorescence (Ex: 640 nm) |
| DiI | MedChemExpress (MCE) | HY-D0083 | For labeling cells with orange fluorescence (Ex: 550 nm) |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Biochannel | BC-SE-FBS07 | |
| Gadopentetate dimeglumine (Gd-DTPA) | Beijing Beilu Pharmaceutical | H10860002 | |
| Gelatin | Sigma Aldrich | V900863 | |
| Glass cell slides | Citotest Scientific | 80346-2510 | Diameter: 25 mm; thickness: 0.19-0.22 mm |
| Glass plates | PURESHI hardware store | For fabricating microfluidics. Dimension: 40 mm × 75 mm | |
| Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) | Servicebio | STCC12103G-1 | |
| Neodymium-iron-boron magnets (N52) | Lalaci | ||
| Non-toxic glass plate coating (Gel Slick Solution) | Lonza | 1049286 | For convenience of demolding when fabricating microfluidics |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Servicebio | G4200 | |
| Plasma cleaner | SANHOPTT | PT-2S | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) kit | DOWSIL | SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit | For fabricating microfluidics |
| Polytetrafluoroethylene (PFTE) mold | PURESHI hardware store | Customized online, for fabricating microfluidics | |
| Silicon plate | PURESHI hardware store | ||
| Smooth Muscle Cells (SMC) | Procell | CL-0517 | |
| Ultrasonic cleaner | Sapeen | CSA-02 |
References
- Christian, J., et al. Control of cell adhesion using hydrogel patterning techniques for applications in traction force microscopy. J Vis Exp. 179, e63121 (2022).
- Abbas, Y., Turco, M. Y., Burton, G. J., Moffett, A. Investigation of human trophoblast invasion in vitro. Hum Reprod Update. 26 (4), 501-513 (2020).
- Park, M., et al. Modulation of heterotypic and homotypic cell-cell interactions via zwitterionic lipid masks. Adv Healthc Mater. 6 (15), 1700063 (2017).
- Ren, T., Chen, P., Gu, L., Ogut, M. G., Demirci, U. Soft ring-shaped cellu-robots with simultaneous locomotion in batches. Adv Mater. 32 (8), e1905713 (2020).
- Ren, T., Steiger, W., Chen, P., Ovsianikov, A., Demirci, U. Enhancing cell packing in buckyballs by acoustofluidic activation. Biofabrication. 12 (2), 025033 (2020).
- Ge, S., et al. Magnetic levitation in chemistry, materials science, and biochemistry. Angew Chem Int Ed Engl. 59 (41), 17810-17855 (2020).
- Puluca, N., et al. Levitating cells to sort the fit and the fat. Adv Biosyst. 4 (6), e1900300 (2020).
- Ren, T., et al. Programing cell assembly via ink-free, label-free magneto-archimedes based strategy. ACS Nano. 17 (13), 12072-12086 (2023).
- Li, Y. C., et al. Programmable laser-assisted surface microfabrication on a poly(vinyl alcohol)-coated glass chip with self-changing cell adhesivity for heterotypic cell patterning. ACS Appl Mater Interfaces. 7 (40), 22322-22332 (2015).
- Chliara, M. A., Elezoglou, S., Zergioti, I. Bioprinting on organ-on-chip: Development and applications. Biosensors (Basel). 12 (12), 1135 (2022).
- Moncal, K. K., Yaman, S., Durmus, N. G. Levitational 3D bioassembly and density-based spatial coding of levitoids. Adv Funct Mater. 32 (50), 2204092 (2022).
- Parfenov, V. A., et al. Magnetic levitational bioassembly of 3D tissue construct in space. Sci Adv. 6 (29), eaba4174 (2020).
- Dell, A. C., Wagner, G., Own, J., Geibel, J. P. 3D bioprinting using hydrogels: Cell inks and tissue engineering applications. Pharmaceutics. 14 (12), 2596 (2022).
- Ino, K., Ito, A., Honda, H. Cell patterning using magnetite nanoparticles and magnetic force. Biotechnol Bioeng. 97 (5), 1309-1317 (2007).
- Okochi, M., Matsumura, T., Honda, H. Magnetic force-based cell patterning for evaluation of the effect of stromal fibroblasts on invasive capacity in 3d cultures. Biosens Bioelectron. 42, 300-307 (2013).
- Mishriki, S., et al. Rapid magnetic 3D printing of cellular structures with mcf-7 cell inks. Research (Wash D C). 2019, 9854593 (2019).
- Ozturk-Oncel, M. O., Leal-Martinez, B. H., Monteiro, R. F., Gomes, M. E., Domingues, R. M. A. A dive into the bath: Embedded 3D bioprinting of freeform in vitro models. Biomater Sci. 11, 5462-5473 (2023).
- Sahni, G., Yuan, J., Toh, Y. C. Stencil micropatterning of human pluripotent stem cells for probing spatial organization of differentiation fates. J Vis Exp. 112, e54097 (2016).
- Joddar, B., et al. Engineering approaches for cardiac organoid formation and their characterization. Transl Res. 250, 46-67 (2022).
