Assemblaggio e funzionamento di un dispositivo acoustofluidico per una maggiore consegna di composti molecolari alle cellule
Summary
Questo protocollo descrive l’assemblaggio e il funzionamento di un dispositivo accostofluidico a basso costo per la consegna molecolare rapida alle cellule tramite sonoporazione indotta da agenti di contrasto ad ultrasuoni.
Abstract
Per un’ampia gamma di ricerche biomediche e applicazioni terapeutiche a base cellulare è necessaria un’efficiente fornitura intracellulare di biomolecole. La sonoporazione mediata da ultrasuoni è una tecnica emergente per la rapida consegna intracellulare di biomolecole. La sonoporazione si verifica quando la cavitazione di microbolle riempite di gas forma pori transitori nelle membrane cellulari vicine, il che consente un rapido assorbimento delle biomolecole dal fluido circostante. Le attuali tecniche per la sonoporazione in vitro delle cellule in sospensione sono limitate dalla bassa produttività, dalla variabilità delle condizioni di esposizione agli ultrasuoni per ogni cellula e dall’elevato costo. Per risolvere queste limitazioni, è stato sviluppato un dispositivo acoustofluidico a basso costo che integra un trasduttore ad ultrasuoni in un dispositivo fluido basato su PDMS per indurre una sonoporazione coerente delle cellule mentre scorrono attraverso i canali in combinazione con agenti di contrasto ad ultrasuoni. Il dispositivo è fabbricato utilizzando tecniche di fotolitografia standard per produrre il chip fluido basato su PDMS. Un trasduttore a disco piezografico ad ultrasuoni è collegato al dispositivo e guidato da un microcontrollore. L’assieme può essere integrato all’interno di una custodia stampata in 3D per una maggiore protezione. Cellule e microbolle vengono spinte attraverso il dispositivo utilizzando una pompa per siringa o una pompa peristaltica collegata ai tubi in PVC. Con questo sistema apodtofluidico è dimostrato un migliore recapito di biomolecole alle cellule T umane e alle cellule tumorali polmonari. Rispetto agli approcci di trattamento alla rinfusa, questo sistema acoustofluidico aumenta la produttività e riduce la variabilità, che può migliorare i metodi di lavorazione cellulare per applicazioni di ricerca biomedica e la produzione di terapie a base cellulare.
Introduction
Piattaforme virali e non virali sono state utilizzate per migliorare la consegna molecolare alle cellule. La somministrazione virale (trasduzione) è una tecnica comune utilizzata nelle terapie cellulari che richiedono modifiche genomiche. Le limitazioni con la consegna virale includono potenziale mutagenesi inserimento, capacità transgenica limitata e molteplicità indesiderata diinfezione 1,2. Pertanto, le tecniche di somministrazione molecolare non virale sono in fase di sviluppo per un’ampia gamma di applicazioni biomediche e di ricerca. Le tecniche comuni includono l’energia meccanica, elettrica, idrodinamica o l’uso di energia a base laser per migliorare l’assorbimento delle biomolecole nelle celle 3. L’elettroporazione è una piattaforma di somministrazione molecolare non virale comunemente usata che ha la capacità di indurre perforazione transitoria nella membrana plasmatica per la consegna intracellularedi composti molecolari 4,5,6,7,8,9. Tuttavia, la perforazione transitoria della membrana plasmatica è un processo stocastico e l’assorbimento molecolare tramite elettroporazione dipende generalmente dalla diffusione passiva attraverso i pori della membranatransitoria 4,7,8.
Un metodo alternativo è l’utilizzo degli ultrasuoni per una maggiore erogazione molecolare intracellulare attraverso la cavitazione di agenti di contrasto ad ultrasuoni (cioè microbolle riempite di gas). La cavitazione microbolle induce effetti di microstreaming nei mezzi circostanti che possono causare perforazione transitoria delle membrane plasmatiche vicine (“sonoporazione”) consentendo un rapido assorbimento intracellulare delle biomolecole attraverso meccanismi ditrasporto passivi o attivi 10,11,12. La sonoporazione è una tecnica efficace per la rapida consegna molecolare alle cellule, ma questo approccio richiede spesso attrezzature costose e metodi di trattamento alla rinfusa che sono limitati da una minore produttività e da una maggiore variabilità nelle condizioni di esposizione agli ultrasuoni13. Per risolvere queste limitazioni, sono attualmente in fase di sviluppo dispositivi aoustofluididi che consentono una sonoporazione coerente delle cellule in sospensione.
Acoustofluidics è un campo in espansione che integra tecnologie ecografiche e microfluidiche per un’ampia varietà di applicazioni. Questo approccio è stato precedentemente utilizzato per la separazione delle particelle applicando energia ultrasonica continua per indurre onde acustiche stanteall’interno dei canali fluidici 14,15,16,17. Le particelle vengono ordinate verso diverse parti del dispositivo in base a una varietà di proprietà come la dimensione delle particelle, la densità e la comprimibilità rispetto almezzo 16. Sono inoltre in fase di sviluppo tecnologie acoustofluidiche per consentire una rapida consegna molecolare a una varietà di tipi di cellule per applicazioni di ricerca e produzione di terapie cellulari18. Recentemente, abbiamo dimostrato una maggiore consegna molecolare agli erytrociti utilizzando un dispositivo acoustofluidico basato su PDMS19. Nella piattaforma apodtofluidale, la dinamica cellulare e microbolle può essere manipolata per indurre interazioni fisiche che consentono una migliore consegna di biomolecole. L’efficienza e la coerenza dell’erogazione molecolare intracellulare possono potenzialmente essere aumentate ottimizzando la distanza tra cellule e microbolle.
Un’importante applicazione per la sonoporazione mediata dall’acoustofluidico comporta il trasporto di biomolecole nelle cellule T umane primarie. Le immunoterapie basate sul trasferimento adottivo delle cellule T, come la terapia con cellule T del recettore dell’antigene chimerico (CAR T), stanno rapidamente emergendo per il trattamento di varie malattie, tra cui il cancro e virus come l’HIV20. La terapia CAR T è stata particolarmente efficace nei pazienti pediatrici a leucemia linfoblastica acuta (ALL), con tassi di remissione completi del 70-90%21. Tuttavia, la produzione di cellule T per queste terapie dipende generalmente dalla trasduzione virale che è limitata dalla potenziale mutagenesi inserimento, dai lunghi tempi di lavorazione e dalle sfide di fornire biomolecole non genetiche come proteine o piccole molecole1. I metodi di somministrazione molecolare mediati da acoustofluidi possono potenzialmente superare questi limiti e migliorare la produzione di terapie cellulari T.
Un’altra importante applicazione per la sonoporazione mediata dall’austofluidico prevede la somministrazione intracellulare di composti conservanti, come il trealosio, che proteggono le cellule durante il congelamento e l’essiccazione. Il trealosio è prodotto da alcuni organismi in natura e li aiuta a tollerare il congelamento e l’essiccazione proteggendo le loro membrane cellulari22,23. Tuttavia, la trealosio non è prodotta da cellule di mammiferi ed è impermeabile alle membrane cellulari dei mammiferi. Pertanto, sono necessarie efficaci tecniche di somministrazione molecolare, come la sonoporazione, al fine di ottenere livelli di trealosio intracellulari sufficienti necessari per proteggere le membrane cellulari interne. Questo approccio è attualmente in fase di sviluppo per la conservazione a secco di vari tipi di cellule.
Questo protocollo fornisce una descrizione dettagliata dell’assemblaggio e del funzionamento di un sistema acoustofluidico relativamente a basso costo guidato da un microcontrollore. Gli agenti di contrasto ad ultrasuoni vengono utilizzati per indurre la sonoporazione all’interno dei canali fluidici e consentire una rapida consegna molecolare a vari tipi di cellule, tra cui cellule T e cellule tumorali. Questo sistema acoustofluidica può essere utilizzato per una varietà di applicazioni di ricerca e può anche essere utile come sistema prototipo per valutare i metodi di sonoporazione per migliorare i processi di produzione della terapia cellulare.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo descrive l’assemblaggio e il funzionamento di un sistema acoustofluidico a basso costo che migliora la fornitura intracellulare di biomolecole per applicazioni di ricerca. Ci sono diversi fattori importanti da considerare quando si assembla e si gestisce questo sistema. Il dispositivo acoustofluidico è fabbricato in PDMS, che è un materiale biocompatibile che può essere facilmente modellato con dimensioni del canale coerenti27. I canali del dispositivo possono essere risciacqu…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto in parte dai finanziamenti della National Science Foundation (#1827521, #1827521, #1450370) e dei National Institutes of Health (U01HL127518). I servizi di fotolitografia sono stati forniti dall’University of Louisville Micro/Nano Technology Center.
Materials
| Fabrication of Acoustofluidic Device | |||
| DOW SYLGARD 184 SILICONE ENCAPSULANT CLEAR 0.5 KG KIT | Ellsworth Adhesives | 4019862 (SKU) | https://www.ellsworth.com/products/by-market/consumer-products/encapsulants/silicone/dow-sylgard-184-silicone-encapsulant-clear-0.5-kg-kit/ |
| Harris Uni-Core (2.5 mm) | Electron Microscopy Sciences | 69039-25 | |
| Microfluidic Reservoir for 15 mL Falcon Tube – S (2/4 port) | Darwin Microfluidics | LVF-KPT-S-2 (SKU) | https://darwin-microfluidics.com/products/15-ml-falcon-tube-microfluidic-reservoir-s-2-4-port |
| Microscope Slide | VWR | 16004-430 | https://us.vwr.com/store/product/4646174/vwr-vistavisiontm-microscope-slides-plain-and-frosted-premium |
| trichlorosilane | Gelest | 105732-02-3 (Cas. No.) | Chlorosilane is very hazaradous and flammable. Exposure causes severe burns and eye damage. |
| Tygon PVC soft plastic tubing (1/16" ID, 1/8" OD) | McMaster-Carr | 5233K51 (Part #) | https://www.mcmaster.com/pvc-tubing/soft-tubing-for-air-and-water/ |
| Assembly of Acoustofluidic System | |||
| Arduino Uno | Arduino | 7630049200050 (Barcode) | https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3 |
| Preparation of Ultrasound Contrast Agents | |||
| 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-ethylphosphocholine (DSEPC) | Avanti Lipids | 890703P-25mg (SKU) | https://avantilipids.com/product/890703 |
| 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DSPC) | Avanti Lipids | 850365P-25mg (SKU) | https://avantilipids.com/product/850365 |
| 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoglycerol (DSPG) | Avanti Lipids | 840465P-25mg (SKU) | https://avantilipids.com/product/840465 |
| APF-140HP (decafluorobutate gas) | FlouroMed | 355-25-9 (Cas No.) | http://www.fluoromed.com/products/perfluorodecalin/ |
| DB-338 Amalgamators | COXO | https://www.coxotec.com/coxo/db-338-amalgamators/ | |
| polyoxyethylene 40 stearate | Sigma-Aldrich | P3440-250G (SKU) | https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/p3440?lang=en®ion=US&gclid= Cj0KCQjwy8f6BRC7ARIsAPIXOjjj Jh_151mYVEUyLZRavt4re9YQMLS vID64X-1KbO3LUKGjVUwb PDAaAqvOEALw_wcB |
| Q125 Sonicator | Qsonica | Q125-110 (Ref.) | https://www.sonicator.com/products/q125-sonicator?_pos=1&_sid=406df3776&_ss=r |
| Preparation of Primarty T Cells | |||
| autoMACs running buffer | Miltenyi Biotec | 130-091-221 (Order No.) | https://www.miltenyibiotec.com/US-en/products/automacs-running-buffer-macs-separation-buffer.html#gref |
| Pan T Cell Isolation Kit, human (Pan T-Cell Biotin Antibody Cocktail & Pan T-Cell MicroBead Cocktail) | Miltenyi Biotec | 130-096-535 (Order No.) | https://www.miltenyibiotec.com/US-en/products/pan-t-cell-isolation-kit-human.html#130-096-535 |
| magnetic cell sorter (autoMACS Pro Separator) | Miltenyi Biotec | 130-092-545 (Order No.) | https://www.miltenyibiotec.com/US-en/products/automacs-pro-separator-starter-kit.html#130-092-545 |
| Preparation of A549 Lung Cancer Cells | |||
| Trehalose Assay Kit | Megazyme | K-TREH (Cat. No.) | https://www.megazyme.com/trehalose-assay-kit |
| Trypan blue (0.4% in aqueous solution Ready-to-Use, sterile) | VWR | 97063-702 (Cat. No.) | https://us.vwr.com/store/product/7437427/trypan-blue-0-4-in-aqueous-solution-ready-to-use-sterile |
Riferimenti
- Gardlik, R., et al. Vectors and delivery systems in gene therapy. Medical Science Monitor. 11 (4), 110-121 (2005).
- Wahlers, A., et al. Influence of multiplicity of infection and protein stability on retroviral vector-mediated gene expression in hematopoietic cells. Gene Therapy. 8 (6), 477-486 (2001).
- Nayerossadat, N., Maedeh, T., Ali, P. A. Viral and nonviral delivery systems for gene delivery. Advanced Biomedical Research. 1, 27 (2012).
- Chen, C., Smye, S. W., Robinson, M. P., Evans, J. A. Membrane electroporation theories: a review. Medical & Biological Engineering & Computing. 44 (1-2), 5-14 (2006).
- Gehl, J. Electroporation: theory and methods, perspectives for drug delivery, gene therapy and research. Acta Physiologica Scandinavica. 177 (4), 437-447 (2003).
- Lin, Y. C., Li, M., Wu, C. C. Simulation and experimental demonstration of the electric field assisted electroporation microchip for in vitro gene delivery enhancement. Lab on a Chip. 4 (2), 104-108 (2004).
- Sugar, I. P., Neumann, E. Stochastic model for electric field-induced membrane pores. Electroporation. Biophysical Chemistry. 19 (3), 211-225 (1984).
- Weaver, J. C. Electroporation: a general phenomenon for manipulating cells and tissues. Journal of Cellular Biochemistry. 51 (4), 426-435 (1993).
- Hashimoto, M., Takemoto, T. Electroporation enables the efficient mRNA delivery into the mouse zygotes and facilitates CRISPR/Cas9-based genome editing. Scientific Reports. 5, 11315 (2015).
- Klibanov, A. L. Microbubble contrast agents: targeted ultrasound imaging and ultrasound-assisted drug-delivery applications. Investigative Radiology. 41 (3), 354-362 (2006).
- Klibanov, A. L., Shevchenko, T. I., Raju, B. I., Seip, R., Chin, C. T. Ultrasound-triggered release of materials entrapped in microbubble-liposome constructs: a tool for targeted drug delivery. Journal of Controlled Release. 148 (1), 13-17 (2010).
- Fan, Z., Kumon, R. E., Deng, C. X. Mechanisms of microbubble-facilitated sonoporation for drug and gene delivery. Therapeutic Delivery. 5 (4), 467-486 (2014).
- Secomski, W., et al. In vitro ultrasound experiments: Standing wave and multiple reflections influence on the outcome. Ultrasonics. 77, 203-213 (2017).
- Gedge, M., Hill, M. Acoustofluidics 17: theory and applications of surface acoustic wave devices for particle manipulation. Lab on a Chip. 12 (17), 2998-3007 (2012).
- Shi, J., et al. Acoustic tweezers: patterning cells and microparticles using standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 9 (20), 2890-2895 (2009).
- Shi, J., Huang, H., Stratton, Z., Huang, Y., Huang, T. J. Continuous particle separation in a microfluidic channel via standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 9 (23), 3354-3359 (2009).
- Shields, C. W. t., Cruz, D. F., Ohiri, K. A., Yellen, B. B., Lopez, G. P. Fabrication and operation of acoustofluidic devices supporting bulk acoustic standing waves for sheathless focusing of particles. Journal of Visualized Experiments. (109), e53861 (2016).
- Belling, J. N., et al. Acoustofluidic sonoporation for gene delivery to human hematopoietic stem and progenitor cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (20), 10976-10982 (2020).
- Centner, C. S., et al. Ultrasound-induced molecular delivery to erythrocytes using a microfluidic system. Biomicrofluidics. 14 (2), 024114 (2020).
- Qi, J., Ding, C., Jiang, X., Gao, Y. Advances in developing CAR T-cell therapy for HIV cure. Frontiers in Immunology. 11, 361 (2020).
- Annesley, C. E., Summers, C., Ceppi, F., Gardner, R. A. The evolution and future of CAR T cells for B-Cell Acute lymphoblastic leukemia. Clinical Pharmacology & Therapeutics. 103 (4), 591-598 (2018).
- Hand, S. C., Menze, M. A. Molecular approaches for improving desiccation tolerance: insights from the brine shrimp Artemia franciscana. Planta. 242 (2), 379-388 (2015).
- Zhang, M., et al. Freeze-drying of mammalian cells using trehalose: preservation of DNA integrity. Scientific Reports. 7 (1), 6198 (2017).
- Grievink, H. W., Luisman, T., Kluft, C., Moerland, M., Malone, K. E. Comparison of three isolation techniques for human peripheral blood mononuclear cells: Cell recovery and viability, population composition, and cell functionality. Biopreserv Biobank. 14 (5), 410-415 (2016).
- Jaatinen, T., Laine, J. Isolation of mononuclear cells from human cord blood by Ficoll-Paque density gradient. Current Protocol in Stem Cell Biology. , (2007).
- Ulmer, A. J., Scholz, W., Ernst, M., Brandt, E., Flad, H. D. Isolation and subfractionation of human peripheral blood mononuclear cells (PBMC) by density gradient centrifugation on Percoll. Immunobiology. 166 (3), 238-250 (1984).
- Halldorsson, S., Lucumi, E., Gomez-Sjoberg, R., Fleming, R. M. T. Advantages and challenges of microfluidic cell culture in polydimethylsiloxane devices. Biosensors and Bioelectronics. 63, 218-231 (2015).
- Helfield, B., Chen, X., Watkins, S. C., Villanueva, F. S. Biophysical insight into mechanisms of sonoporation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (36), 9983-9988 (2016).
- Hu, Y., Wan, J. M., Yu, A. C. Membrane perforation and recovery dynamics in microbubble-mediated sonoporation. Ultrasound in Medicine and Biology. 39 (12), 2393-2405 (2013).
- Kopechek, J. A., et al. Ultrasound targeted microbubble destruction-mediated delivery of a transcription factor decoy inhibits STAT3 signaling and tumor growth. Theranostics. 5 (12), 1378-1387 (2015).
- Bhutto, D. F., et al. Effect of molecular weight on sonoporation-mediated uptake in human cells. Ultrasound in Medical Biology. 44 (12), 2662-2672 (2018).
- Forbes, M. M., Steinberg, R. L., O’Brien, W. D. Frequency-dependent evaluation of the role of definity in producing sonoporation of Chinese hamster ovary cells. Journal of Ultrasound in Medicine. 30 (1), 61-69 (2011).
- Helfield, B., Chen, X., Watkins, S. C., Villanueva, F. S. Biophysical insight into mechanisms of sonoporation. Proceedings of National Academy of Science U. S. A. 113 (36), 9983-9988 (2016).
- Miller, D. L., Bao, S., Morris, J. E. Sonoporation of cultured cells in the rotating tube exposure system. Ultrasound in Medical Biology. 25 (1), 143-149 (1999).
