Summary

En Mikrofluid platform for High-throughput Single-celle Isolering og Kultur

Published: June 16, 2016
doi:

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

Øjeblikket placere enkelte celler individuelt i en kultur rum opnås almindeligvis ved hjælp af begrænsende fortynding eller fluorescens-aktiveret cellesortering (FACS). For mange laboratorier, begrænsende fortynding er en bekvem metode, da den kun kræver en pipette og vævskulturplader, som er let tilgængelige. I dette tilfælde bliver en cellesuspension seriefortyndes til en passende celledensitet, og derefter anbragt i dyrkningsbrønde ved anvendelse af en manuel pipette. Disse rumopdelte enkeltceller anvendes derefter til celleanalyse, såsom genetisk heterogenitet screening 1 og kolonidannelse 2. Men denne metode er lavt gennemløb og arbejdskrævende, uden anvendelse af en robotarm for assistance, fordi Poissonfordelingen karakter af begrænsende fortyndingsmetode begrænser encellede begivenheder til en maksimal sandsynlighed på 37% 3. FACS maskiner med integreret robotarm kan overvinde begrænsningen af ​​Poisson-fordeling ved nøjagtigt placing et enkeltdosis celle i en kultur brønd på et tidspunkt 4. Det høje mekaniske forskydningsspændingen (således sænket cellelevedygtighed) 5 og maskine køb og driftsomkostninger har begrænset dens anvendelse i mange laboratorier.

For at overvinde de ovennævnte begrænsninger, er mikroskala anordninger blevet udviklet til højt effektivt indlæse enkeltceller i mikrobrønde 6. Men mikrobrøndene ikke giver tilstrækkelig plads til de fyldte celler til at proliferere, som følge af behovet for at gøre størrelsen af ​​hver mikrobrønd tæt på den for en enkelt celle for at maksimere enkeltcelle-loading sandsynlighed. Som kultur assays er påkrævet i mange cellebaserede applikationer (f.eks klongenicitetsassayet 7), større mikrobrønde (fra 90 – 650 um i diameter eller i sidelængde) er også blevet anvendt til at muliggøre længere cellekulturer. Men ligesom den begrænsende fortyndingsmetode, de har også en lav encellede belastningseffektiviteter, i området fra 10 -. 30% 8, 9

Tidligere har vi udviklet et high-throughput mikrofluid platform at isolere enkelte celler i individuelle mikrobrønde og demonstrere dens anvendelse i klongenicitetsassayet af de isolerede celler. 10. Anordningen blev fremstillet med poly-dimethylsiloxan (PDMS) og omfatter to sæt af mikrobrønde arrays med forskellige mikrobrønde størrelser, som i vid udstrækning kan forbedre effektiviteten i indlæsning af en enkelt celle i en mikrobrønd hvis størrelse er betydeligt større end cellen. Især denne "dual-brønd" konceptet mulighed størrelsen af ​​kulturen område justeres fleksibelt uden at påvirke den encellede capture effektivitet, hvilket gør det nemt at justere anordningens konstruktion, der passer til forskellige celletyper og anvendelser. Denne højeffektiv metode bør være nyttige for langsigtede cellekultur forsøg til celle heterogenitet undersøgelser og monoklonal cellelinje etablering.

Protocol

Bemærk: De fotomaske design for vores mikrofluidanordning fremstilling blev trukket ved anvendelse af en computer aided design (CAD) software. De designs blev derefter brugt til at fabrikere krom fotomasker ved hjælp af en kommerciel tjeneste. PDMS indretninger blev fremstillet ved anvendelse af bløde litografiteknikker. 11 1. Fremstilling af Master forme af litografi Før fotolitografi proces 12 Brug 4-inch siliciumskiver som et substrat og dehydrere skiv…

Representative Results

Mikrofluid platform for enkelt-celleisolering og kultur omfatter en mikrokanal (200 um i højde) med to sæt mikrobrøndsplader arrays (figur 2A). De to sæt mikrobrønde arrays betegnes som capture-brønd (25 um i diameter og 27 um i dybden) og kultur-brønd (285 um i diameter og 300 um i dybden) til enkelt-celle isolation og kultur, henholdsvis, og hver capture-brønd er placeret i midten af en kultur-brønd set fra top-view (figur 2B). For enhedens fu…

Discussion

Mikrobrønd-baseret enhed systemer 6,14 er blevet anvendt til enkelt-celle manipulation og analyse, såsom storstilet enkelt celle trapping 6 og enkelt hæmatopoietisk stamcelleproliferation 15. Selvom godt størrelse, antal, og kan tilpasses til specifikke applikationer, single-celle isolation effektivitet altid kompromitteret, når størrelsen af brønden øges. 9,15

For at overvinde denne begrænsning, Park et al. Rapporterede en mikrof…

Divulgazioni

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

Riferimenti

  1. Meacham, C. E., Morrison, S. J. Tumour heterogeneity and cancer cell plasticity. Nature. 501 (7467), 328-337 (2013).
  2. Vermeulen, L., et al. Single-cell cloning of colon cancer stem cells reveals a multi-lineage differentiation capacity. P Natl Acad Sci USA. 105 (36), 13427-13432 (2008).
  3. Shapiro, H. M. . Practical flow cytometry. , (2005).
  4. Leong, K. G., Wang, B. E., Johnson, L., Gao, W. Q. Generation of a prostate from a single adult stem cell. Nature. 456 (7223), 804-808 (2008).
  5. Shapiro, E., Biezuner, T., Linnarsson, S. Single-cell sequencing-based technologies will revolutionize whole-organism science. Nat Rev Genet. 14 (9), 618-630 (2013).
  6. Rettig, J. R., Folch, A. Large-scale single-cell trapping and imaging using microwell arrays. Anal. Chem. 77 (17), 5628-5634 (2005).
  7. Liu, J., et al. Soft fibrin gels promote selection and growth of tumorigenic cells. Nat Mater. 11 (8), 734-741 (2012).
  8. Charnley, M., Textor, M., Khademhosseini, A., Lutolf, M. P. Integration column: microwell arrays for mammalian cell culture. Integr. Biol. 1 (11-12), 11-12 (2009).
  9. Lindstrom, S., et al. High-density microwell chip for culture and analysis of stem cells. PloS one. 4 (9), e6997 (2009).
  10. Lin, C. H., et al. A microfluidic dual-well device for high-throughput single-cell capture and culture. Lab Chip. 15 (14), 2928-2938 (2015).
  11. Xia, Y. N., Whitesides, G. M. Soft lithography. Angew Chem Int Edit. 37 (5), 550-575 (1998).
  12. Shin, Y., et al. Microfluidic assay for simultaneous culture of multiple cell types on surfaces or within hydrogels. Nat Protoc. 7 (7), 1247-1259 (2012).
  13. Strober, W. Trypan blue exclusion test of cell viability. Curr. Protoc. Immunol. Appendix 3 (Appendix 3B), (2001).
  14. Lindstrom, S., Andersson-Svahn, H. Miniaturization of biological assays – Overview on microwell devices for single-cell analyses. Bba-Gen Subjects. 1810 (3), 308-316 (2011).
  15. Lecault, V., et al. High-throughput analysis of single hematopoietic stem cell proliferation in microfluidic cell culture arrays. Nat Methods. 8 (7), 581-593 (2011).
  16. Park, J. Y., et al. Single cell trapping in larger microwells capable of supporting cell spreading and proliferation. Microfluid Nanofluid. 8 (2), 263-268 (2010).
  17. Tirino, V., et al. Cancer stem cells in solid tumors: an overview and new approaches for their isolation and characterization. FASEB J. 27 (1), 13-24 (2013).
  18. Chen, P. C., Huang, Y. Y., Juang, J. L. MEMS microwell and microcolumn arrays: novel methods for high-throughput cell-based assays. Lab Chip. 11 (21), 3619-3625 (2011).
  19. Liang, P., et al. Drug Screening Using a Library of Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes Reveals Disease-Specific Patterns of Cardiotoxicity. Circulation. 127 (16), 1677-1691 (2013).
check_url/it/54105?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Lin, C., Chang, H., Hsu, C. A Microfluidic Platform for High-throughput Single-cell Isolation and Culture. J. Vis. Exp. (112), e54105, doi:10.3791/54105 (2016).

View Video