미세 유체 장치에서 전기장 유발 신경 전구체 세포 분화
Summary
이 연구에서는, 우리는 신경 줄기와 전구 세포 (NPC)의 분화를 위한 프로토콜을 제시합니다(NPC) 전적으로 미세 유체 시스템에서 직접 전류 (DC) 펄스 자극에 의해 유도.
Abstract
생리전기장(EF)은 세포 이동, 분화, 분열 및 사망에 중요한 역할을 합니다. 이 논문은 현미경 검사를 사용하여 장기 세포 분화 연구에 사용 된 미세 유체 세포 배양 시스템을 설명합니다. 미세 유체 시스템은 광학적으로 투명한 전기 전술 칩, 투명한 인듐 틴-옥사이드(ITO) 히터, 배양 미디어 충전 펌프, 전기 전원 공급 장치, 고주파 파워 앰프, EF 멀티플렉서, 프로그래밍 가능한 X-Y-Z 동력 단계, 그리고 디지털 카메라가 장착된 반전 위상 마이크로 콘트라스트 등 다음과 같은 주요 구성 요소로 구성됩니다. 미세 유체 시스템은 전반적인 실험 설정을 단순화하고 시약 및 시료 소비를 단순화하는 데 유용합니다. 이 작업은 직접 전류 (DC) 펄스 자극에 의해 유도 된 신경 줄기 및 전구 세포 (NPC)의 분화를 포함한다. 줄기 세포 유지 배지에서, 마우스 NPC (mNPC)는 DC 펄스 자극 후 뉴런, 성상 세포 및 올리고드 엔드로시테로 분화되었다. 결과는 간단한 DC 펄스 처리가 mNpCs의 운명을 통제할 수 있고 신경계 무질서를 위한 치료 전략을 개발하는 것을 이용될 수 있었다는 것을 건의합니다. 이 시스템은 여러 채널의 세포 배양, 장기 EF 자극, 세포 형태 학적 관찰 및 자동 시간 경과 이미지 수집에 사용할 수 있습니다. 이 미세 유체 시스템은 필요한 실험 시간을 단축할 뿐만 아니라 미세 환경에 대한 제어 정확도도 증가합니다.
Introduction
신경 전구체 세포(NPC, 신경 줄기 및 전구세포라고도 함)는 신경퇴행성 치료 전략1에대한 유망한 후보일 수 있다. 차별화되지 않은 NPC는 자체 갱신 능력, 다중 효능 및 증식 능력2,3을가지고 있습니다. 이전 연구는 세포외 매트릭스와 분자 중재자가 NPC의 분화를 조절한다고 보고했습니다. 표피 성장 인자(EGF) 및 기본 섬유아세포 성장인자(bFGF)는 NPC 증식을 촉진하여 미분화 상태4를유지한다.
이전 연구는 전기 자극이 분열5,마이그레이션6,7,8,분화1,9,10및 세포 사멸(11)과 같은 세포 생리적 활동을 조절할 수 있다고보고하였다. 전기장(EF)은 중추신경계 개발12,13,14의개발 및 재생에 중요한 역할을 한다. 2009년부터 2019년까지, 이 실험실은 미세유체 시스템1,6,7,8,15,16,17에서 EF의적용에대한 세포 반응을조사했다. 멀티채널, 광학적으로 투명한, 전기전술(MOE) 칩은 공초점 현미경검사법에 면역형광 염색에 적합하도록 설계되었습니다. 칩은 높은 광학 투명성과 좋은 내구성을 가지고 있으며, 하나의 연구에서 세 개의 독립적 인 자극 실험과 여러 면역 스테인드 조건의 동시 수행을 허용했다. 미세 유체 시스템은 전반적인 실험 설정을 단순화하고 시약 및 시료 소비를 단순화하는 데 유용합니다. 이 논문은 장기 세포 분화 연구에 사용 된 미세 유체 세포 배양 시스템의 개발을 설명합니다.
Protocol
1. MOE 칩의 설계 및 제조 개별 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 레이어 및 적절한 소프트웨어를 사용하여 양면 테이프에 대한 패턴을그립니다(그림 1A,재료의 표). CO2 레이저 기계 스크라이브(도1B)로PMMA 시트와 양면 테이프를 모두 잘라냅니다. CO2 레이저 스크라이브를 켜고 개인용 컴퓨터에 연결합니다. 소프트웨?…
Representative Results
MOE 칩의 상세한 구성은 도 1에도시된다. 미세 유체 칩은 실험 설정 크기, 샘플 볼륨 및 시약 볼륨을 줄이는 데 유익한 접근 방식을 제공합니다. MOE 칩은 단일 연구에서 3개의 독립적인 EF 자극 실험 및 여러 면역 염색 조건을 동시에 수행하도록설계되었습니다(그림 3). 또한 광학 적 투명성이 높은 MOE 칩은 공초점 현미경 검사에 적…
Discussion
MOE 칩을 제작하는 동안 어댑터는 빠르게 작용하는 시아노아크라일트 접착제를 사용하여 MOE 칩의 레이어 1에 부착됩니다. 접착제는 어댑터의 4 모서리에 적용된 다음 어댑터 위에 압력이 균등하게 적용됩니다. 접착제의 완전한 중합을 보장하기 위해 과도한 양의 접착제를 피해야합니다. 또한 완성된 MOE 칩 어셈블리는 진공 챔버에서 배양됩니다. 이 단계는 PMMA 층, 양면 테이프 및 커버 글래스 사이?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 마우스 신경 줄기와 전구 세포 (mNPC)를 제공하는 그의 도움에 대한, 생물 의학 과학 연구소, 학계 Sinica 교수 탕 K. 탕 교수에게 감사드립니다. 저자는 또한 MNPC의 차별화에 대한 귀중한 토론을 위해 탕 K. 탕 교수와 이잉산 교수에게 감사를 표합니다.
Materials
| 1 mm PMMA substrates (Layers 1-3) | BHT | K2R20 | Polymethyl methacrylate (PMMA), http://www.bothharvest.com/zh-tw/product-421076/Optical-PMMA-Non-Coated-BHT-K2Rxx-xx=-thickness-choices.html |
| 15 mL plastic tube | Protech Technology Enterprise Co., Ltd | CT-15-PL-TW | Conical bottomed tube with cap, assembled, presterilized |
| 3 mL syringe | TERUMO | DVR-3413 | 3 mL oral syringes, without needle |
| 3 mm optical grade PMMA (Layer 5) | CHI MEI Corporation | ACRYPOLY PMMA Sheet | Optical grade PMMA |
| 3-way stopcock | NIPRO | NCN-3L | Sterile disposable 3-way stopcock |
| 5 mL syringe | TERUMO | DVR-3410 | 5 mL oral syringes, without needle |
| Adaptor | Dong Zhong Co., Ltd. | Customized | PMMA adaptor |
| Agarose | Sigma-Aldrich | A9414 | Agarose, low gelling temperature |
| Amplifier | A.A. Lab Systems Ltd | A-304 | High voltage amplifier |
| AutoCAD software | Autodesk | Educational Version | Drafting |
| B-27 supplement | Gibco | 12587-010 | B-27 supplement (50x), minus vitamin A |
| Basic fibroblast growth factor (bFGF) | Peprotech | AF-100-18B | Also called recombinant human FGF-basic |
| Black rubber bung | TERUMO | DVR-3413 | From 3 mL oral syringes, without needle |
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | B4287 | Blocking reagent |
| Centrifuge | HSIANGTAI | CV2060 | Centrifuge |
| CO2 laser scriber | Laser Tools and Technics Corp. | ILS-II | Purchased from http://www.lttcorp.com/index.htm |
| Cone connector | IDEX Health & Science | F-120X | One-piece fingertight 10-32 coned, for 1/16" OD natural |
| Cone-Luer adaptor | IDEX Health & Science | P-659 | Luer Adapter 10-32 Female to Female Luer, PEEK |
| Confocal fluorescence microscope | Leica Microsystems | TCS SP5 | Leica TCS SP5 user manual, http://www3.unifr.ch/bioimage/wp-content/uploads/2013/10/User-Manual_TCS_SP5_V02_EN.pdf |
| Digital camera | OLYMPUS | E-330 | Automatic time-lapse image acquisition |
| Digital oscilloscope | Tektronix | TDS2024 | Measure voltage or current signals over time in an electronic circuit or component to display amplitude and frequency. |
| Double-sided tape | 3M | PET 8018 | Purchased from http://en.thd.com.tw/ |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium/Ham's nutrient mixture F-12 (DMEM/F12) | Gibco | 12400024 | DMEM/F-12, powder, HEPES |
| Dulbecco's phosphate-buffered saline (DPBS) | Gibco | 21600010 | DPBS, powder, no calcium, no magnesium |
| EF multiplexer | Asiatic Sky Co., Ltd. | Customized | Monitor and control the electric current in individual channels |
| Epidermal growth factor (EGF) | Peprotech | AF-100-15 | Also called recombinant human EGF |
| Fast-acting cyanoacrylate glue | 3M | 7004T | Strength instant adhesive (liquid) |
| Flat bottom connector | IDEX Health & Science | P-206 | Flangeless male nut Delrin, 1/4-28 flat-bottom, for 1/16" OD blue |
| Function generator | Agilent Technologies | 33120A | High-performance 15 MHz synthesized function generator with built-in arbitrary waveform capability |
| Goat anti-mouse IgG H&L (Alexa Fluor 488) | Abcam | ab150117 | Goat anti-mouse IgG H&L (Alexa Fluor 488) preadsorbed |
| Goat anti-rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 555) | Abcam | ab150086 | Goat polyclonal secondary antibody to rabbit IgG – H&L (Alexa Fluor 555), preadsorbed |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | H3570 | Nuclear staining |
| ImageJ software | National Institutes of Health | 1.48v | Analyze the fluorescent images |
| Indium–tin–oxide (ITO) glass | Merck | 300739 | For ITO heater |
| Inverted phase contrast microscope | OLYMPUS | CKX41 | For cell morphology observation |
| K-type thermocouple | Tecpel | TPK-02A | Temperature thermocouples |
| Luer adapter | IDEX Health & Science | P618-01 | Luer adapter female Luer to 1/4-28 male polypropylene |
| Luer lock syringe | TERUMO | DVR-3413 | For agar salt bridges |
| Mouse anti-GFAP | eBioscience | 14-9892 | Astrocytes marker |
| Oligodendrocyte marker O4 antibody | R&D Systems | MAB1326 | Oligodendrocytes marker |
| Paraformaldehyde (PFA) | Sigma-Aldrich | P6148 | Fixing agent |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Basic Life | BL2651 | Washing solution |
| Poly-L-Lysine (PLL) | SIGMA | P4707 | Coating solution |
| Precision cover glasses thickness No. 1.5H | MARIENFELD | 107242 | https://www.marienfeld-superior.com/precision-cover-glasses-thickness-no-1-5h-tol-5-m.html |
| Programmable X-Y-Z motorised stage | Tanlian Inc | Customized | Purchased from http://www.tanlian.tw/ndex.files/motort.htm |
| Proportional–integral–derivative (PID) controller | Toho Electronics | TTM-J4-R-AB | Temperature controller |
| PTFE tube | Professional Plastics Inc. Taiwan Branch | Outer diameter 1/16 Inches | White translucent PTFE tubing |
| Rabbit anti-Tuj1 | Abcam | ab18207 | Neuron marker |
| Syringe pump | New Era Systems Inc | NE-1000 | NE-1000 programmable single syringe pump |
| TFD4 detergent | FRANKLAB | TFD4 | Cover glass cleaner |
| Thermal bonder | Kuan-MIN Tech Co. | Customized | Purchased from http://kmtco.com.tw/ |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | Permeabilized solution |
| Ultrasonic cleaner | LEO | LEO-300S | Ultrasonic steri-cleaner |
| Vacuum chamber | DENG YNG INSTRUMENTS CO., Ltd. | DOV-30 | Vacuum drying oven |
| White fingertight plug | IDEX Health & Science | P-316 | 1/4-28 Flat-Bottom, https://www.idex-hs.com/store/fluidics/fluidic-connections/plug-teflonr-pfa-1-4-28-flat-bottom.html |
References
- Chang, H. F., Lee, Y. S., Tang, T. K., Cheng, J. Y. Pulsed DC electric field-induced differentiation of cortical neural precursor cells. PLoS One. 11 (6), e0158133 (2016).
- Li, S., Li, H., Wang, Z. Orientation of spiral ganglion neurite extension in electrical fields of charge-balanced biphasic pulses and direct current in vitro. Hearing research. 267 (1-2), 111-118 (2010).
- Rajnicek, A. M., Robinson, K. R., McCaig, C. D. The direction of neurite growth in a weak DC electric field depends on the substratum: contributions of adhesivity and net surface charge. Developmental biology. 203 (2), 412-423 (1998).
- Kim, Y. H., et al. Differential regulation of proliferation and differentiation in neural precursor cells by the Jak pathway. Stem Cells. 28 (10), 1816-1828 (2010).
- Cunha, F., Rajnicek, A. M., McCaig, C. D. Electrical stimulation directs migration, enhances and orients cell division and upregulates the chemokine receptors CXCR4 and CXCR2 in endothelial cells. Journal of Vascular Research. 56 (1), 39-53 (2019).
- Chang, H. F., Cheng, H. T., Chen, H. Y., Yeung, W. K., Cheng, J. Y. Doxycycline inhibits electric field-induced migration of non-small cell lung cancer (NSCLC) cells. Scientific Reports. 9 (1), 8094 (2019).
- Tsai, H. F., Peng, S. W., Wu, C. Y., Chang, H. F., Cheng, J. Y. Electrotaxis of oral squamous cell carcinoma cells in a multiple-electric-field chip with uniform flow field. Biomicrofluidics. 6 (3), 34116 (2012).
- Huang, C. W., Cheng, J. Y., Yen, M. H., Young, T. H. Electrotaxis of lung cancer cells in a multiple-electric-field chip. Biosensors and Bioelectronics. 24 (12), 3510-3516 (2009).
- Jing, W., et al. Study of electrical stimulation with different electric-field intensities in the regulation of the differentiation of PC12 cells. American Chemical Society Chemical Neuroscience. 10 (1), 348-357 (2019).
- Guo, W., et al. Self-powered electrical stimulation for enhancing neural differentiation of mesenchymal stem cells on graphene-poly(3,4-ethylenedioxythiophene) hybrid microfibers. American Chemical Society Nano. 10 (5), 5086-5095 (2016).
- Manabe, M., Mie, M., Yanagida, Y., Aizawa, M., Kobatake, E. Combined effect of electrical stimulation and cisplatin in HeLa cell death. Biotechnology and Bioengineering. 86 (6), 661-666 (2004).
- Liu, M., et al. Protective effect of moderate exogenous electric field stimulation on activating netrin-1/DCC expression against mechanical stretch-induced injury in spinal cord neurons. Neurotoxicity Research. 34 (2), 285-294 (2018).
- Haan, N., Song, B. Therapeutic application of electric fields in the injured nervous system. Advances in Wound Care. 3 (2), 156-165 (2014).
- Ariza, C. A., et al. The influence of electric fields on hippocampal neural progenitor cells. Stem Cell Reviews and Reports. 6 (4), 585-600 (2010).
- Huang, C. W., et al. Gene expression of human lung cancer cell line CL1-5 in response to a direct current electric field. PLoS One. 6 (10), e25928 (2011).
- Sun, Y. S., Peng, S. W., Lin, K. H., Cheng, J. Y. Electrotaxis of lung cancer cells in ordered three-dimensional scaffolds. Biomicrofluidics. 6 (1), 14102-14114 (2012).
- Hou, H. S., Chang, H. F., Cheng, J. Y. Electrotaxis studies of lung cancer cells using a multichannel dual-electric-field microfluidic chip. Journal of Visualized Experiments. 106, e53340 (2015).
- Cheng, J. Y., Yen, M. H., Hsu, W. C., Jhang, J. H., Young, T. H. ITO patterning by a low power Q-switched green laser and its use in the fabrication of a transparent flow meter. Journal of Micromechanics and Microengineering. 17 (11), 2316-2323 (2007).
- Cheng, J. Y., Yen, M. H., Kuo, C. T., Young, T. H. A transparent cell-culture microchamber with a variably controlled concentration gradient generator and flow field rectifier. Biomicrofluidics. 2 (2), 24105 (2008).
- Fuhr, G., Shirley, S. G. Cell handling and characterization using micron and submicron electrode arrays: state of the art and perspectives of semiconductor microtools. Journal of Micromechanics and Microengineering. 5 (2), 77-85 (1995).
- AChang, K. A., et al. Biphasic electrical currents stimulation promotes both proliferation and differentiation of fetal neural stem cells. PLoS One. 6 (4), e18738 (2011).
- Lim, J. H., McCullen, S. D., Piedrahita, J. A., Loboa, E. G., Olby, N. J. Alternating current electric fields of varying frequencies: effects on proliferation and differentiation of porcine neural progenitor cells. Cell Reprogram. 15 (5), 405-412 (2013).
Citer Cet Article
Chang, H., Chou, S., Cheng, J. Electric-Field-Induced Neural Precursor Cell Differentiation in Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (170), e61917, doi:10.3791/61917 (2021).