Uma plataforma microfluídica para a isolação de alta taxa de transferência de célula única e Cultura
Summary
Here, we present a protocol for isolating and culturing single cells with a microfluidic platform, which utilizes a new microwell design concept to allow for high-efficiency single cell isolation and long-term clonal culture.
Abstract
Studying the heterogeneity of single cells is crucial for many biological questions, but is technically difficult. Thus, there is a need for a simple, yet high-throughput, method to perform single-cell culture experiments. Here, we report a microfluidic chip-based strategy for high-efficiency single-cell isolation (~77%) and demonstrate its capability of performing long-term single-cell culture (up to 7 d) and cellular heterogeneity analysis using clonogenic assay. These applications were demonstrated with KT98 mouse neural stem cells, and A549 and MDA-MB-435 human cancer cells. High single-cell isolation efficiency and long-term culture capability are achieved by using different sizes of microwells on the top and bottom of the microfluidic channel. The small microwell array is designed for precisely isolating single-cells, and the large microwell array is used for single-cell clonal culture in the microfluidic chip. This microfluidic platform constitutes an attractive approach for single-cell culture applications, due to its flexibility of adjustable cell culture spaces for different culture strategies, without decreasing isolation efficiency.
Introduction
Actualmente colocando células isoladas individualmente num espaço de cultura é geralmente conseguido através de diluição limitante ou de células activadas por fluorescência (FACS). Para muitos laboratórios, diluição limitante é um método conveniente, uma vez que requer apenas uma pipeta e placas de cultura de tecidos, as quais estão prontamente disponíveis. Neste caso, uma suspensão de células é diluída em série até uma densidade celular apropriada, e, em seguida, colocados em poços de cultura, utilizando uma pipeta manual. Estas células individuais compartimentados são então utilizados para análise de células, tais como heterogeneidade genética e rastreio de uma colónia de formação 2. No entanto, este método é de baixo rendimento e de trabalho intensivo, sem a utilização de um braço robótico para assistência, devido à natureza distribuição de Poisson do método de diluição limitante restringe eventos de uma única célula a uma probabilidade máxima de 37% 3. máquinas de FACS com um braço robótico integrado pode superar a limitação da distribuição de Poisson pela precisão placção de uma única célula em um poço de cultura de cada vez 4. No entanto, a alta tensão de cisalhamento mecânico (assim, reduzido a viabilidade celular) 5 e compra da máquina e os custos operacionais têm limitado o seu uso em muitos laboratórios.
Para superar as limitações acima, em microescala dispositivos têm sido desenvolvidos para carregar altamente eficiente de células individuais em micropoços 6. No entanto, os micropoços não proporcionar um espaço adequado para as células carregadas com a proliferar, devido à necessidade de tornar o tamanho de cada micropoço próximo do de uma única célula de carga para maximizar a probabilidade de uma única célula. Como são necessários ensaios de cultura em muitas aplicações baseadas em células (por exemplo, ensaio clonogénico 7), micropoços maiores (90-650 um de diâmetro ou de comprimento lateral) também têm sido utilizados para permitir a culturas celulares prolongadas. No entanto, como o método da diluição limitante, eles também possuem baixas eficiências de carga de células individuais, que variam de 10 -. 30% 8, 9
Anteriormente, nós desenvolvemos uma plataforma de microfluidos de alto rendimento para isolar células individuais em micropoços individuais e demonstrar a sua aplicação no ensaio clonogénico das células isoladas. 10 O dispositivo foi feito com poli-dimetilsiloxano (PDMS), e compreende dois conjuntos de matrizes de micropoços com diferentes tamanhos de microcavidades, que podem melhorar em grande medida a eficiência no carregamento de uma única célula em um micropoço cujo tamanho é significativamente maior do que a célula. Notavelmente, este conceito "dupla bem" permite que o tamanho da área de cultura a ser ajustada de forma flexível, sem afectar a eficiência da captação de uma única célula, tornando-a simples de ajustar o desenho do dispositivo para se adequar a diferentes tipos de células e aplicações. Este método de elevada eficiência deveria ser útil para experiências de cultura de células de longo prazo para os estudos de heterogeneidade da célula e estabelecimento linha celular monoclonal.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sistemas de dispositivo baseado em micropoços 6,14 têm sido utilizados para a manipulação de uma única célula e análise, tal como uma única célula em larga escala prendendo 6 e proliferação de células-tronco hematopoiéticas único 15. Embora o tamanho bem, número e forma podem ser ajustados a aplicações específicas, a eficiência de isolamento de uma única célula está sempre comprometida quando o tamanho do poço é aumentada. 9,15
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The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by a grant from the National Health Research Institutes (03-A1 BNMP11-014).
Materials
| AutoCAD software | Autodesk | AutoCAD LT 2011 | Part No. 057C1-74A111-1001 |
| Silicon wafer | Eltech corperation | SPE0039 | |
| Conventional oven | YEONG-SHIN company | ovp45 | |
| Plasma cleaner | Nordson | AP-300 | Bench-Top Plasma Treatment System |
| SU-8 50 negative photoresist | MicroChem | Y131269 | |
| SU-8 100 negative photoresist | MicroChem | Y131273 | |
| Spin coater | Synrex Co., Ltd. | SC-HMI 2" ~ 6" | |
| Hotplate | YOTEC company | YS-300S | |
| Msak aligner | Deya Optronic CO. | A1K-5-MDA | |
| SU-8 developer | Grand Chemical Companies | GP5002-000000-72GC | Propylene glycol monomethyl ether acetate |
| Scanning laser profilometer | KEYENCE | VK-X 100 | |
| Trichlorosilane | Gelest, Inc | SIT8174.0 | TRIDECAFLUORO-1,1,2,2-TETRAHYDROOCTYL. Hazardous. Corrosive to the respiratory tract., reacts violently with water. |
| Desiccator | Bel-Art Products | F42020-0000 | SPACE SAVER VACUUM DESICCATOR 190MM WHITE BASE |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) kit | Dow corning | Sylgard 184 | |
| Harris Uni-Core puncher | Ted Pella Inc. | 15072 | with 0.75 mm inner-diameter |
| Removable tape | 3M Company | Scotch Removable Tape 811 | |
| Stereomicroscope | Leica Microsystems | Leica E24 | |
| Bovine serum albumin (BSA) | Bersing Technology | ALB001.500 | |
| DMEM basal medium | Gibco | 12800-017 | |
| Fetal bovine serum | Thermo Hyclone | SH30071.03HI | |
| Antibiotics | Biowest | L0014-100 | Glutamine-Penicillin-Streptomycin |
| Recombinant enzyme mixture | Innovative cell technology | AM-105 | Accumax |
| DiIC12(3) cell membrane dye | BD Biosciences | 354218 | Used as a cell tracker |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | 703007 | |
| Plastic syringe (1 mL) | BD Biosciences | 309659 | |
| 23 gauge blunt needles | Ever Sharp Technology, Inc. | TD21 | |
| Poly-tetrafluoroethene (PTFE) tubing | Ever Sharp Technology, Inc. | TFT-23T | inner diameter, 0.51 mm; outer diameter, 0.82 mm |
References
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