Заказ отдельных клеток и Single зародышами в 3D конфайнмента: Новое устройство для высокого содержания скрининга
Summary
Мы сообщаем устройство и новый способ для изучения клеток и эмбрионов. Отдельные клетки точно упорядочены в микрополости массивах. Их 3D заключение является шагом на пути к 3D-средах, встречающихся в физиологических условиях и позволяет ориентации органелл. Контролируя форму клетки, эта установка сводит к минимуму изменчивость сообщили в стандартных анализах.
Abstract
Биологические клетки обычно наблюдаются на плоских (2D) поверхностей. Это условие не является физиологическим, и фенотипы и формы весьма разнообразны. Скрининг на основе клеток в таких средах, имеют поэтому серьезные ограничения: клеточные органеллы показывают крайние фенотипы, клеточные морфологию и размеры являются гетерогенными и / или специфических органелл клетки не могут быть должным образом визуализировать. Кроме того, клетки в естественных условиях находятся в 3D – среде; В этой ситуации, клетки показывают различные фенотипы в основном из-за их взаимодействия с окружающей внеклеточного матрикса ткани. Для того , чтобы стандартизировать и произвести заказ единичных клеток в физиологически соответствующей 3D – среде для клеточных анализов, мы сообщаем здесь микротехнологий и применения устройства для экстракорпорального 3D культуры клеток. Это устройство состоит из 2D – массив микрорезонаторами (обычно 10 5 полостей / см 2), каждый из которых заполнен одиночных клеток или эмбрионов. Cell позитивции, форма, полярность и внутренняя организация клеток становится затем нормализуется, показывающий 3D архитектуру. Мы использовали реплики формования с рисунком массив микрорезонаторах, 'eggcups', на тонкую полидиметилсилоксана (PDMS) слой придерживалась на покровное. Полости были покрыты фибронектином, чтобы облегчить адгезию. Клетки были вставлены с помощью центрифугирования. Начинка процент был оптимизирован для каждой системы, позволяющей до 80%. Клеток и эмбрионов жизнеспособность была подтверждена. Мы применили эту методику для визуализации клеточных органелл, таких как ядро и Гольджи, а также изучить активные процессы, такие как закрытие cytokinetic кольца во время клеточного митоза. Это устройство позволило идентифицировать новые функции, такие как периодические накопления и неоднородности миозина и актина во время cytokinetic замыканию кольца и уплотненных фенотипов для Гольджи и ядра выравнивания. Мы охарактеризовали метод для клеток млекопитающих, делящихся дрожжей, многообещающий дрожжей, C. Элеганс шIth конкретных адаптации в каждом конкретном случае. Наконец, характеристики этого устройства делают его особенно интересным для скрининга лекарственных средств анализов и персонализированной медицины.
Introduction
Ток в пробирке клеток на основе анализов являются двухмерными (2D). Эта конфигурация не является естественным для клеток млекопитающих и , следовательно, не является физиологически отношение 1; клетки показывают разнообразие форм, размеров и гетерогенных фенотипов. Они представляют собой дополнительные серьезные ограничения при применении к скрининговых приложений, таких как неупорядоченного распределения в плоскости и экстремальных фенотипов клеточных органелл (стрессовых волокон, в частности). Это особенно важно в клинических исследованиях для тестирования на наркотики, где тратятся высокие бюджеты каждый год. Большинство из этих препаратов, хотя терпеть неудачу при применении к модели на животных из-за искусственного 2D условиях культивирования на ранних стадиях скрининга лекарственных средств. Кроме того, с помощью этого подхода, специфические клеточные органеллы могут не быть должным образом визуализировать, такие как cytokinetic актомиозиновом кольца во время клеточного митоза, и как правило, структуры, которые развиваются в плоскости, перпендикулярной к плоскости наблюдения. Некоторыеновые 2D анализы были предложены для того , чтобы преодолеть вышеупомянутые недостатки и важные идеи по организации цитоскелета были обнаружены 2,3. Тем не менее, эти анализы до сих пор представляют одно серьезное ограничение: клетки показывают очень распространенное фенотип , в отличие от того , что наблюдается в естественных условиях, где клетки , присутствующие 3D – архитектуру. Эти артефакты , связанные с методом культивирования может вызвать не-физиологические особенности , такие как расширенные стрессовые волокна 1,4,5.
Трехмерные анализы клеточных культур обеспечивают множество преимуществ по сравнению с 2D – среды 6,7. Они являются физиологически более актуальной, и результаты поэтому имеет смысл. В качестве примера, клетки , встроенные в гидрогели показывают 3D-подобные структуры , но их морфологию отличаются от одной клетки к другой 8,9. Тем не менее, их морфологию отличаются от одной клетки к другой, что затрудняет скрининговые приложений. Альтернативной стратегией является внедрение единогоКлетки в микроизготовленном полости 10,11. Положение клеток, форма, полярность и внутренняя организация ячейка может затем стать нормализуется. Помимо обеспечения 3D-архитектуры , как к клеткам, микрорезонаторах также позволяет скрининговых исследований с высоким содержанием 10,12-14; отдельные клетки можно заказать в микрочипов и клеточных органелл и их эволюции можно наблюдать параллельно. Эта закономерность дает хорошую статистику с низким числом клеток и улучшению временных / пространственным разрешением. Полезные соединения легче идентифицировать достоверно.
В данном исследовании мы покажем изготовление и применение нового 3D-как системы с одной клетки культуры для высокопроизводительных контента скрининга приложений 10,12,13. Устройство состоит из массива эластомерных микрорезонаторах (10 5 полостей / см 2), придуманное 'eggcups' (ЕК). Размеры и общий объем ЕС в этой работе оптимизированы для типичного объема отдельных NIH3T3 и HeLa клетокво время клеточного деления. Морфология полостей – цилиндрической – выбирается так, чтобы правильно сориентировать формы клеток для визуализации активных процессов. Реплика литье используется для шаблона массив ЕС на тонкую полидиметилсилоксана (PDMS) слоя приклеена на стекло покровное 15,16. Клетки вводятся в ЕС центрифугированием. Мы сообщаем о наблюдении и нормализации клеточных органелл (актиновых стрессовых волокон, аппарат Гольджи и ядро) в 3D (ЕС) по сравнению с теми же клетками на 2D (плоских) поверхностей. Мы также сообщаем о наблюдении активных динамических процессов , таких как закрытие cytokinetic актомиозинового кольца во время клеточного митоза 17. Наконец, мы показываем результаты этой методологии на других системах с жесткими стенками, такими как многообещающий дрожжей, делящихся дрожжей и C. Элеганс эмбрионов что подтверждает применимость нашей методики к широкому спектру модельных систем.
Далее мы представляем подробный и исчерпывающий рrotocol для того, чтобы изготовить и применить 'eggcups' для 3D микротехнологий. Наш подход прост и не нуждается в чистой комнате. Мы ожидаем, что эта новая методика будет особенно интересен для скрининга лекарственных средств анализов и персонализированной медицины, в замене чашек Петри. И, наконец, наше устройство будет полезно для изучения распределения клеток реакций на внешние раздражители, например , при раке 18 или в области фундаментальных исследований 19.
Protocol
Representative Results
Discussion
Реплика формования используется для того, чтобы изготовить "eggcups. Процесс изготовления не нуждается в чистой комнате; это легко и просто, хотя некоторые из них практика может потребоваться. В частности, выпустив PDMS штампа является наиболее важным шагом для получения большой площади ?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы признаем Л. Brino (IGBMC высокое содержание Скрининг центр Illkirch, Франция) за предоставление нам антитела против Giantin, М. Labouesse Lab. для C. Элеганс (IGBMC) и В. Seraphin Lab. для подающих надежды дрожжи (IGBMC), Е. Paluch и А. Хайман для люминесцентных HeLa клеток (MPI-CBG, Дрезден), J. Moseley (Dartmouth Medical School) и JQ Wu (Ohio State University) для дрожжей деления клеток; А. Хоэлу и Ф. Evenou для экспериментальной помощи, С. Рик (IBMC, Страсбург, Франция) за техническую помощь, и JC Жанно (Femto-е, Франция) за помощь в микротехнологий. Эта работа была поддержана за счет средств из CNRS, Университет Страсбурга, Conectus, La Fondation пур ля Recherche MEDICALE и СI-FRC Страсбурга.
Materials
| Name of Material | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| ddH20 (ultrapure) | Millipore | – | Use always fresh water. |
| Parafilm (plastic film) | Bemis | PM-999 | Adhere Parafilm to the lab bench using some water droplets and ensure a perfect surface flatness. |
| Photo-mask | Selba | – | http://www.selba.ch |
| Silicon wafer | Siltronix | – | http://www.siltronix.com/ |
| SU-8 photoresist | MicroChem | 2000 series | http://www.microchem.com/Prod-SU82000.htm |
| working in a fumehood is required; check the data sheet from the manufacturer for more information. | |||
| SU-8 developer | MicroChem | – | http://microchem.com/Prod-Ancillaries.htm |
| working in a fumehood is required; check the data sheet from the manufacturer for more information | |||
| 2-propanol | Sigma-Aldrich | 19030 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/i9030?lang=en®ion=CA |
| Available from multiple companies. | |||
| Sigmacote (siliconizing reagent ) | Sigma-Aldrich | SL2-25ML | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/sl2?lang=fr®ion=FR |
| harmful, working in a fumehood is required; check the data sheet from the manufacturer for more information. | |||
| Chlorotrimethylsilane (TMCS) | Sigma-Aldrich | 386529-100ML | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/386529?lang=fr®ion=FR |
| TMCS produces acute inhalation and dermal toxicity, and is highly flammable (with ignition flashback able to occur across considerable distances), consequently it should be used in a fume cupboard away from sources of ignition | |||
| Nitrile gloves | Kleenguard | 57372 | http://www.kcprofessional.com/products/ppe/hand-gloves/thin-mil-/57372-kleenguard-g10-blue-nitrile-gloves-m |
| Available from multiple companies. | |||
| Glass coverslips #0 | Knittel glass | KN00010022593 | http://www.knittelglass.com/index_e.htm |
| Very fragile. Manipulate gently. | |||
| Sharp straight tweezers | SPI | 0WSSS-XD | http://www.2spi.com/catalog/tweezers/t/elec7 |
| 50 ml tube | BD Falcon | 352070 | http://www.bdbiosciences.com/cellculture/tubes/features/index.jsp |
| Available from multiple companies. | |||
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 kit | http://www.dowcorning.com/applications/search/default.aspx?R=131EN |
| The package contains both PDMS base and curing agent. Similar elastomers are available from multiple companies. | |||
| Microscope glass slides | Dutscher | 100001 | http://www.dutscher.com/frontoffice/search |
| Available from multiple companies. | |||
| DMEM high-glucose medium | Fisher Scientific | 41965-039 | http://www.fishersci.com/ecomm/servlet/Search?LBCID=12301479&keyWord=41965-039&store=Scientific&nav=0&offSet=0&storeId=10652&langId=-1&fromSearchPage=1&searchType=PROD |
| Bovine calf serum | Sigma-Aldrich | C8056-500ML | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/c8056?lang=en®ion=CA |
| 0,25% Trypsin-EDTA | Fisher Scientific | 25200-072 | http://www.fishersci.com/ecomm/servlet/Search?keyWord=25200-072&store=Scientific&nav=0&offSet=0&storeId=10652&langId=-1&fromSearchPage=1&searchType=PROD |
| PBS 1X | Fisher Scientific | 14200-067 | http://www.fishersci.com/ecomm/servlet/Search?keyWord=14200-067&store=Scientific&nav=0&offSet=0&storeId=10652&langId=-1&fromSearchPage=1&searchType=PROD |
| PBS is at 10X and should be diluted to 1X using ddH2O | |||
| L-15 medium | Fisher Scientific | 21083-027 | http://www.fishersci.com/ecomm/servlet/Search?keyWord=21083-027&store=Scientific&nav=0&offSet=0&storeId=10652&langId=-1&fromSearchPage=1&searchType=PROD |
| Medium for atmospheres without CO2 control | |||
| Fibronectin | Sigma-Aldrich | F1141-5MG | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search?interface=All&term=F1141-5MG&lang=en®ion=CA&focus=product&N=0+220003048+219853082+219853286&mode=match%20partialmax |
| Penicillin & Streptomycin | Fisher Scientific | 15140-122 | http://www.fishersci.com/ecomm/servlet/Search?keyWord=15140-122&store=Scientific&nav=0&offSet=0&storeId=10652&langId=-1&fromSearchPage=1&searchType=CHEM |
| Petri dish P35 | Greiner | 627102 | http://www.greinerbioone.com/en/row/articles/catalogue/article/144_11/12885/ |
| Petri dish P60 | Greiner | 628163 | http://www.greinerbioone.com/nl/belgium/articles/catalogue/article/145_8_bl/24872/ |
| Petri dish P94 | Greiner | 633179 | http://www.greinerbioone.com/nl/belgium/articles/catalogue/article/146_8_bl/24882/ |
| Paraformaldehyde 3 % | Sigma-Aldrich | P6148-500G | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/p6148?lang=fr®ion=FR |
| Harmful in-particular for the eyes, working in a fumehood is required; check the data sheet from the manufacturer for more information. | |||
| Triton 0.5 % | Sigma-Aldrich | 93443-100ML | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search?interface=All&term=93443-100ML&lang=en®ion=CA&focus=product&N=0+220003048+219853082+219853286&mode=match%20partialmax |
| Phallodin-Green Fluorescent Alexa Fluor 488 | InVitrogen | A12379 | http://www.lifetechnologies.com/order/catalog/product/A12379?CID=search-a12379 |
| dissolve powder in 1.5 ml methanol | |||
| Alexa Fluor 647 | InVitrogen | A21245 | 1:200 dilution in PBS 1X |
| rabbit polyclonal anti-Giantin | Abcam | ab24586 | 1:500 dilution in PBS 1X |
| http://www.abcam.com/giantin-antibody-ab24586.html | |||
| rabbit anti-anillin | Courtesy of M. Glotzer, Published in Piekny, A. J. & Glotzer, M. Anillin is a scaffold protein that links RhoA, actin, and myosin during cytokinesis. Current biology 18, 30–6 (2008). | 1:500 dilution in PBS 1X | |
| Anti-phosphotyrosine | Transduction Lab | 610000 | http://www.bdbiosciences.com/ptProduct.jsp?ccn=610000 |
| Cy3 goat anti-rabbit | Jackson Immunoresearch | 111-166-047 | http://www.jacksonimmuno.com/catalog/catpages/fab-rab.asp |
| 1:1000 dilution in PBS 1X | |||
| DAPI | Sigma-Aldrich | D8417 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/d8417?lang=fr®ion=FR |
| 1 mg/ml for 1 min | |||
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G2025 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search?interface=All&term=G2025&lang=en®ion=CA&focus=product&N=0+220003048+219853082+219853286&mode=match%20partialmax |
| Mineral oil | Sigma-Aldrich | M8410-500ML | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search?interface=All&term=M8410-500ML&lang=en®ion=CA&focus=product&N=0+220003048+219853082+219853286&mode=match%20partialmax |
| HeLa cells | – | – | Mammalian cells are available from many companies. See also Table 1 |
| NIH3T3 cells | ATCC | – | Mammalian cells are available from many companies. See also Table 1 |
| Fission yeast | – | – | For details on strains, contact the corresponding author. See also Table 1 |
| C. elegans worms | – | – | For details, contact the corresponding author. See also Table 1 |
| YES (Agar) + 5 Supplements included | MP Biomedicals | 4101-732 | http://www.mpbio.com/search.php?q=4101-732&s=Search |
| For preparation: follow instructions as given on the box | |||
| YES (Media) + 5 Supplements included | MP Biomedicals | 4101-522 | http://www.mpbio.com/search.php?q=4101-522&s=Search |
| For preparation: follow the instructions as given on the box | |||
| EMM (Media) | MP Biomedicals | 4110-012 | http://www.mpbio.com/search.php?q=4110-012&s=Search |
| For preparation: follow instructions as given on the box | |||
| Filter sterilized EMM (Media) – Only for imaging | MP Biomedicals | 4110-012 | For preparation: follow instructions as given on the box. Filter sterilize the media using a 0.22 µm filter instead of autoclaving. This gives transparency to the media and reduces the autofluorescence. |
| Supplements (for EMM) | MP Biomedicals | 4104-012 | http://www.mpbio.com/search.php?q=4104-012&s=Search |
| (Add 225mg/l into the EMM media before autoclaving or filtering) | |||
| Stericup and Steritop Vaccum driven sterile filters | Millipore | – | http://www.millipore.com/cellbiology/flx4/cellculture_prepare&tab1=2&tab2=1#tab2=1:tab1=2 |
Referencias
- Cukierman, E., Pankov, R., Stevens, D. R., Yamada, K. M. Taking Cell-Matrix Adhesions to the Third Dimension. Science. 294, 1708-1712 (2001).
- Azioune, A., Storch, M., Bornens, M., Thery, M., Piel, M. Simple and rapid process for single cell micro-patterning. Lab Chip. 9, 1640-1642 (2009).
- Mandal, K., Balland, M., Bureau, L. Thermoresponsive Micropatterned Substrates for Single Cell Studies. PLoS ONE. 7, e37548 (2012).
- Pampaloni, F., Reynaud, E. G., Stelzer, E. H. K. The third dimension bridges the gap between cell culture and live tissue. Nat Rev Mol Cell Biol. 8, 839-845 (2007).
- Baker, B. M., Chen, C. S. Deconstructing the third dimension: how 3D culture microenvironments alter cellular cues. J Cell Sci. , (2012).
- Ghibaudo, M., Di Meglio, J. M., Hersen, P., Ladoux, B. Mechanics of cell spreading within 3D-micropatterned environments. Lab Chip. 11, 805-812 (2010).
- Greiner, A. M., Richter, B., Bastmeyer, M. Micro-Engineered 3D Scaffolds for Cell Culture Studies. Macromol Biosci. 12, 1301-1314 (2012).
- Khetan, S., et al. Degradation-mediated cellular traction directs stem cell fate in covalently crosslinked three-dimensional hydrogels. Nat Mater. 12, 458-465 (2013).
- Legant, W. R., et al. Measurement of mechanical tractions exerted by cells in three-dimensional matrices. Nat Meth. 7, 969-971 (2010).
- Riveline, D., Buguin, A. . Devices and methods for observing the cell division. , (2010).
- Ochsner, M., et al. Micro-well arrays for 3D shape control and high resolution analysis of single cells. Lab Chip. 7, 1074-1077 (2007).
- Riveline, D. . Devices and methods for observing cells with cell wall or invertebrate embryos with oblong eggshell . , (2012).
- Riveline, D., Wollrab, V. . Devices and methods for observing eukaryotic cells without cell wall. , (2012).
- Zanella, F., Lorens, J. B., Link, W. High content screening: seeing is believing. Trends Biotech. 28, 237-245 (2010).
- Wolfe, D., Qin, D., Whitesides, G., Hughes, M. P., Hoettges, K. F. Microengineering in Biotechnology, Ch 3. Methods in Molecular Biology. 583, 81-107 (2010).
- Mehling, M., Tay, S. Microfluidic cell culture. Curr Op Biotech. 25, 95-102 (2014).
- Wollrab, V., Thiagarajan, R., Wald, A., Kruse, K., Riveline, D. Still and rotating myosin clusters determine cytokinetic ring constriction. Nat Commun. 7, 11860-11869 (2016).
- Yao, X., et al. Functional analysis of single cells identifies a rare subset of circulating tumor cells with malignant traits. Integr Biol. 6, 388-398 (2014).
- Eberwine, J., Sul, J. Y., Bartfai, T., Kim, J. The promise of single-cell sequencing. Nat Meth. 11, 25-27 (2014).
- Allen, T. D., et al. Generation of cell-free extracts of Xenopus eggs and demembranated sperm chromatin for the assembly and isolation of in vitro-formed nuclei for Western blotting and scanning electron microscopy (SEM). Nat. Protocols. 2, 1173-1179 (2007).
- Robbins, E., Marcus, P. I. Mitotically Synchronized Mammalian Cells: a Simple Method for Obtaining Large Populations. Science. 144, (1964).
- Whitfield, M. L., et al. Stem-loop binding protein, the protein that binds the 3" end of histone mRNA, is cell cycle regulated by both translational and posttranslational mechanisms. Molecular and Cellular Biology. 20, (2000).
- Straight, A. F., et al. Dissecting Temporal and Spatial Control of Cytokinesis with a Myosin II Inhibitor. Science. 299, 1743-1747 (2003).
- Tang, J., Erikson, R. L., Liu, X. Checkpoint kinase 1 (Chk1) is required for mitotic progression through negative regulation of polo-like kinase 1 (Plk1). Proc Natl Acad Sci. 103, 11964-11969 (2006).
- Zahreddine, H., Zhang, H., Diogon, M., Nagamatsu, Y., Labouesse, M. CRT-1/Calreticulin and the E3 Ligase EEL-1/HUWE1 Control Hemidesmosome Maturation in C. elegans Development. Curr Biol. 20, 322-327 (2010).
- Porta-de-la-Riva, M., Fontrodona, L., Villanueva, A., Ceron, J. Basic Caenorhabditis elegans Methods: Synchronization and Observation. JoVE. , e4019 (2012).
- Saha, S., Pollard, T. D. Anillin-related protein Mid1p coordinates the assembly of the cytokinetic contractile ring in fission yeast. Mol Biol Cell. 23, 3982-3992 (2012).
- Prestwich, G. D. Evaluating Drug Efficacy and Toxicology in Three Dimensions: Using Synthetic Extracellular Matrices in Drug Discovery. Acc Chem Res. 41, 139-148 (2007).
- Futamura, Y., et al. Morphobase, an Encyclopedic Cell Morphology Database, and Its Use for Drug Target Identification. Chem Biol. 19, 1620-1630 (2012).
