Eine mikrofluidische Chip für die vielseitige chemische Analyse von Einzelzellen
Summary
In diesem Artikel präsentieren wir ein Mikrofluidik-Chip für Einzelzellanalyse. Es ermöglicht die Quantifizierung der intrazellulären Proteine, Enzyme, Cofaktoren und zweiten Boten mittels Fluoreszenzassays oder Immunoassays.
Abstract
Wir stellen eine Mikrofluidik-Vorrichtung, die die quantitative Bestimmung der intrazellulären Biomoleküle in mehreren Einzelzellen parallel ermöglicht. Zu diesem Zweck werden die Zellen passiv in der Mitte eines Mikrokammer gefangen. Nach der Aktivierung des Steuerungsschicht wird die Zelle von der umgebenden Volumen in einer kleinen Kammer isoliert. Die umgebende Volumen kann dann ohne die isolierte Zelle ausgetauscht werden. Jedoch nach kurzer Öffnen und Schließen der Kammer, wobei die Lösung in der Kammer in ein paar hundert Millisekunden ersetzt werden. Aufgrund der Reversibilität der Kammern, die Zellen können an verschiedenen Lösungen nacheinander in einer hoch steuerbar, z. B. für die Inkubation, Waschen und schließlich Zelllyse ausgesetzt werden. Die dicht verschlossenen Kleinst ermöglichen die Retention des Lysats, zu minimieren und die Verdünnung zu steuern, nachdem Zell-Lyse. Seit Lyse und Analyse an der gleichen Stelle auftreten, wird eine hohe Empfindlichkeit beibehalten, da keine weitere dilution oder Verlust der Analyten erfolgt während des Transports. Die Mikrokammer-Design ermöglicht somit die zuverlässige und reproduzierbare Analyse sehr kleiner Kopienzahlen von intrazellulären Molekülen (attomol, zeptomoles) aus einzelnen Zellen freigesetzt wird. Darüber hinaus können viele Mikrokammern in einem Array-Format angeordnet werden, wodurch die Analyse von vielen Zellen gleichzeitig, da die geeignete optische Geräte für die Überwachung verwendet wird. Wir haben bereits die Plattform für den Proof-of-Concept-Studien verwendet, um intrazelluläre Proteine, Enzyme, Cofaktoren und Botenstoffe in relativ oder absolut quantifizierbare Weise zu analysieren.
Introduction
Viele Studien haben in der Vergangenheit Zell-zu-Zell-Unterschiede innerhalb einer großen Zellpopulation 1-3, insbesondere Signalprozesse 4 oder die Mengen an intrazelluläre Biomoleküle wie Proteine 5,6, Metaboliten, und Cofaktoren 7,8 ergab. Diese Heterogenitäten werden als grundlegend wichtig für die Zell Anpassung und Evolution 9 zu sein, aber auch eine Schlüsselrolle in der Entstehung und Behandlung von Krankheiten wie Krebs 13.10. Daher Studien über die Einzelzellebene sind von hohem Interesse in der biologischen und pharmakologischen Forschung, insbesondere, wenn diese Studien zeigen die verschiedenen Zell-Reaktionen nach der Behandlung mit bioaktiven chemischen Substanzen.
In den letzten Jahren haben viele analytische Plattformen entwickelt worden, die die Analyse von einzelnen lebenden Zellen oder die chemische Zusammensetzung des Zellinhalts zu erleichtern. Während die Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung (FACS) ist der Gold standard für sehr hohe Durchsatzanalyse von einzelnen lebenden Zellen, wobei das Verfahren nicht für die Bestimmung von intrazellulären und sekretierten Verbindungen eingesetzt werden. Die Entstehung von mikrofluidischen Plattformen hat neuartige analytische Strategien für die Positionierung, Behandlung und Beobachtung von Einzelzellen versprochen. Ein Meilenstein in der Mikrofluidik wurde mit der Integration der flexiblen PDMS Ventile von Quake und Mitarbeiter realisiert 14,15 erreicht. Diese Ventile sind nützlich, da sie Regionen auf dem Chip zu isolieren, z. B. zwei Kulturen trennen 16. Darüber hinaus sind sie besonders geeignet für Einzelzellanalyse und helfen, Probleme zu reduzieren Analyten Verdünnung daher. Die Kraft dieser Ansatz für die Einzelzellanalyse wurde kürzlich von Hansen und Mitarbeiter, die die Genexpression von Hunderten von Einzelzellen parallel analysiert 17 demonstriert.
Wenn Targeting-Proteinen und Metaboliten ist die Analyse sehr schwierig aufgrund des Fehlens von geeigneten einmplification Methoden, die große Anzahl von verschiedenen Verbindungen enthalten, und ihre Variationen in der chemischen Natur. Darüber hinaus sind die meisten intrazelluläre Biomoleküle erwartet in geringer Kopienzahlen in der Größenordnung von einigen zehntausend 18 anwesend zu sein, daher der verwendeten analytischen Methode muss eine hohe Empfindlichkeit. Stärker Assays wie Immunoassays und Enzym-Immunoassays (ELISA) sind schwer in mikrofluidischen Systemen zu integrieren, da sie erfordern mehrere Wasch-und Inkubationsschritte sowie Oberflächen Immobilisierung.
Aufgrund dieser Herausforderungen ist es nicht verwunderlich, dass nur ein paar Beispiele berichtet, bei denen Proteine oder Metabolite wurden auf der Ebene einzelner Zellen quantifiziert. Beispielsweise wurden Studien über die Sekretion von fluoreszierenden Verbindungen wurde berichtet 19,20. Kürzlich wurde die Umsetzung mit ELISA zur Analyse von sezerniertem (nicht fluoreszierenden) Proteine aus der Zellkultur (THP-1-Zellen) und 21 Einzel (i präsentiertmmune) Zellen 10. Targeting intrazellulären Proteinen, Shi et al. Entwickelten eine Mikrofluidik-Vorrichtung, welche die Identifikation von intrazellulären Proteinen für die Untersuchung von Signalwegen in Tumorzellen mittels eines Immunoassays 11 erleichtert. Aber nur die relativen Mengen von Proteinen bestimmt und keine enzymatische Amplifikation wurde verwendet, um das Signal für niedrige vorhandenen Proteine zu erhöhen.
Kürzlich waren wir in der Lage, ein Single-Cell-Trapping Kleinst mit Fluoreszenz-Assays 8 und 22 Immunoassays (Abbildung 1) zu kombinieren. Die Zellen werden passiv in mikrofeinen Hürde Strukturen, die Angebot und (schnelle) Austausch von mittel-und andere chemische Mittel ohne jede Bewegung der Zellen zu ermöglichen gefangen. Ein ringförmiger Ventil um jede Falle ermöglicht Isolierung der Zelle in einem sehr kleinen Volumen ("der Mikrokammer"). Dieses Ventil wird sofort nach Einführung einer Zell-Lyse (hypoosmolare)-Puffer, er betätigtnce Verhinderung intrazelluläre Moleküle oder Moleküle diffundieren abgesondert entfernt. Vor allem wegen der kleinen Größe des Volumens (625 pl) große Verdünnung der Moleküle verhindert wird. Da Lyse und Analyse sind in an der gleichen Position auf dem Chip durchgeführt wird, gibt es keinen Verlust von Analyten durch Transport. Die hier beschriebene Chip-Design besteht aus 8 Zeilen abwechselnd entweder 7 oder 8 Kleinst, insgesamt 60 Kleinst. Die Kammern sind in Reihen angesteuert, so dass eine Kreuzkontamination entlang einer Linie ausgeschlossen wird.
Die Plattform kann in Kombination mit Fluoreszenz-Assays und immunologische Assays (1d) verwendet werden. Für letztere haben wir Protokolle zur Immobilisierung der Antikörper, die mit der Chip-Herstellung-und Montageprozess kompatibel sind. Daher die Plattform öffnet den Weg für empfindliche, zuverlässige und quantifizierbare Assays auf Einzelzellebene. Bis jetzt haben wir das Gerät für die Analyse von i verwendetntracellular und sezernierten Enzyme (relative Quantifizierung durch enzymatische Assays), intrazellulären Cofaktoren, Proteinen und kleinen Molekülen (absolute Quantifizierung von Endpunkt-Assays oder ELISA). Im Folgenden beschreiben wir den Prozess der Chipherstellung durch Mehrschicht-Weichlithographie und Protokolle zur Strukturierung der Antikörper durch Mikrokontaktdruck und Oberflächenchemie. Darüber hinaus werden einige Beispiele für den Einsatz und Betrieb Chip gegeben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikrofluidik-Technologie hat neue und faszinierende Möglichkeiten für die Einzelzellanalyse eröffnet. Insbesondere hat die Möglichkeit, zu fangen und zu immobilisieren Zellen einzeln von Mikrofluidik-Tools systematische Kurz-und Langzeitstudien auf Einzelzelleigenschaften und der Reaktion erlaubt. Zusätzlich Verkapselung von Zellen in hoher Frequenz Mikrotröpfchen auf einem Mikrochip erzeugt hat einzelne Zelle Sekretion Studien, die mit herkömmlichen Vorrichtungen durchgeführt werden Zytometrie kann aktiviert. D…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Tom Robinson für das Korrekturlesen des Manuskripts, C. Bärtschi und H. Benz für den Bau des custom-built Druck-Kontrollsystem. Wir möchten auch auf die Verwendung des Reinraum FIRST und der Lichtmikroskopie Center (LMC), die beide an der ETH Zürich zu bestätigen. Die Arbeit wurde von Merck Serono und des Europäischen Forschungsrates (ERC) im 7. Rahmenprogramm (ERC Starting Grant, Projekt-Nr. 203428, nμLIPIDs) finanziert.
Materials
| REAGENTS: | |||
| Name of the Reagent | Company | Catalogue Number | Comments (optional) |
| SU-8 2015 | MicroChem Corp. (Netwon, MA) | n.a. | |
| 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyl-dimethylchloro-silane | ABCR (Karlsruhe, Germany) | AB103608 | |
| 4-Methylumbelliferyl β-D-N,N′-diacetylchitobioside hydrate | Sigma Aldrich | M9763 | |
| Acetone | Merck VWR (Darmstadt, Germany) | 100014 | |
| Avidin | AppliChem (Axon Lab AG) | A-2568 | |
| AZ 1518 | AZ Electronic Materials (Wiesbaden, Germany) | n.a. | |
| AZ 726 developer | AZ Electronic Materials (Wiesbaden, Germany) | n.a. | |
| Bovine serum albumin | Sigma Aldrich | A-4503 | |
| Bovine serum albumin, biotin | Sigma Aldrich | A-8549 | |
| Cell dissociation buffer | Invitrogen | 13151-014 | |
| Hexamethyldisilazane (HDMS) | Sigma Aldrich | 40215 | |
| Hydrochloric acid | Fluka | 84422 | |
| Isopropanol | Merck VWR (Darmstadt, Germany) | 109634 | |
| Magnesium chloride hexahydrate | Fluka | 63068 | |
| MR developer 600 | Microresist technology GmbH (Berlin, Germany) | n.a. | |
| PBS | Invitrogen | 10010-031 | |
| PLL-g-PEG grafted | SuSoS, (Dübendorf, Switzerland) | n.a. | |
| PLL-g-PEG grafted biotin | SuSoS, (Dübendorf, Switzerland) | n.a. | |
| Potassium chloride | Fluka | 60132 | |
| Protein G, biotin | Sigma Fine Chemicals | 41624 | |
| Silicon wafer | Si-Mat (Kaufering, Germany) | n.a. | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS) | Dow Corning | 39100000 | |
| Tris(hydroxymethyl)-aminomethan | Biorad | 1610716 | |
| Tween 20 | Biorad | 1706531 | |
| EQUIPMENT: | |||
| Material Name | Company | Catalogue Number | Comments (optional) |
| 0.22 µm PES syringe filter | TRP | 99722 | |
| 1/1.5 mm biopsy puncher | Miltex, York PA | 33-31AA/33-31A | |
| Cell Trics filter 20 µm | Partec | 04-004-2325 | |
| Centrifuge Sigma 3-18K | Kuehner | n.a. | |
| Hotplate HP 160 III BM | Sawatec, Sax, Switzerland | n.a. | |
| MA-6 mask aligner | Karl Suess | n.a. | |
| Multizoom AZ100M microscope | Nikon Corporation | n.a. | |
| Photomask | Microlitho, Essex, U.K. | n.a | |
| Plasma Cleaner PDC-32G | Harrick | n.a. | |
| Spin coater Modell WS-400 BZ-6NPP/LITE | Laurell | n.a. | |
| Spin Modules SM 180 BM | Sawatec, Sax, Switzerland | n.a. | |
| Step profiler Dektak XT Advanced | Bruker | n.a. | |
| Syringe pump neMESYS | Cetoni | n.a. |
References
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