Het protocol beschrijft een eenvoudig microfluïdisch chipontwerp en microfabricagemethodologie die wordt gebruikt om C. elegans te laten groeien in aanwezigheid van een continue voedselvoorziening gedurende maximaal 36 uur. Het groei- en beeldvormingsapparaat maakt ook intermitterende langetermijnbeeldvorming met hoge resolutie van cellulaire en subcellulaire processen mogelijk tijdens de ontwikkeling gedurende meerdere dagen.
Caenorhabditis elegans (C. elegans) zijn een waardevol modelsysteem gebleken voor het bestuderen van ontwikkelings- en celbiologische processen. Het begrijpen van deze biologische processen vereist vaak langdurige en herhaalde beeldvorming van hetzelfde dier. Lange hersteltijden geassocieerd met conventionele immobilisatiemethoden op agarpads hebben schadelijke effecten op de diergezondheid, waardoor het ongepast is om hetzelfde dier gedurende lange perioden herhaaldelijk in beeld te brengen. Dit artikel beschrijft een microfluïdisch chipontwerp, fabricagemethode, on-chip C. elegans kweekprotocol en drie voorbeelden van langetermijnbeeldvorming om ontwikkelingsprocessen bij individuele dieren te bestuderen. De chip, vervaardigd met polydimethylsiloxaan en gebonden op een dekglas, immobiliseert dieren op een glazen substraat met behulp van een elastomeermembraan dat wordt afgebogen met behulp van stikstofgas. Volledige immobilisatie van C. elegans maakt robuuste time-lapse beeldvorming van cellulaire en subcellulaire gebeurtenissen op een verdovingsvrije manier mogelijk. Een kanaalgeometrie met een grote doorsnede stelt het dier in staat om vrij te bewegen binnen twee gedeeltelijk afgesloten isolatiemembranen, waardoor groei in het kanaal mogelijk is met een continue voedselvoorziening. Met behulp van deze eenvoudige chip kan beeldvorming van ontwikkelingsverschijnselen zoals neuronale procesgroei, vulvalontwikkeling en dendritische arborisatie in de PVD-sensorische neuronen, terwijl het dier in het kanaal groeit, worden uitgevoerd. De langetermijngroei- en beeldvormingschip werkt met een enkele drukleiding, geen externe kleppen, goedkope vloeibare verbruiksartikelen en maakt gebruik van standaard wormbehandelingsprotocollen die gemakkelijk kunnen worden aangepast door andere laboratoria met behulp van C. elegans.
Caenorhabditis elegans heeft bewezen een krachtig modelorganisme te zijn om celbiologie, veroudering, ontwikkelingsbiologie en neurobiologie te bestuderen. Voordelen zoals het transparante lichaam, de korte levenscyclus, eenvoudig onderhoud, een bepaald aantal cellen, homologie met verschillende menselijke genen en goed bestudeerde genetica hebben ertoe geleid dat C. elegans een populair model is geworden voor zowel fundamentele biologische ontdekkingen als toegepast onderzoek 1,2. Het begrijpen van de biologische en ontwikkelingsprocessen van cellen uit herhaalde langetermijnobservatie van individuele dieren kan nuttig blijken te zijn. Conventioneel wordt C. elegans verdoofd op agarpads en afgebeeld onder de microscoop. Schadelijke effecten van anesthetica op de gezondheid van dieren beperken het gebruik van verdoofde dieren voor langdurige en herhaalde intermitterende beeldvorming van hetzelfde dier 3,4. Recente ontwikkelingen in microfluïdische technologieën en hun aanpassing voor anesthetisch-vrije vangst van C. elegans met verwaarloosbare gezondheidsrisico’s maken beeldvorming met hoge resolutie van hetzelfde dier gedurende een korte en lange periode mogelijk.
Microfluïdische chips zijn ontworpen voor C. elegans’5 high throughput screening 6,7,8, het vangen en doserenvan 9, drug screening 10,11, neuronstimulatie met hoge resolutie imaging12 en hoge resolutie beeldvorming van het dier 12,13,14. Ultradunne microfluïdische vellen voor immobilisatie op dia’s zijn ook ontwikkeld15. Langetermijnstudies van C. elegans zijn uitgevoerd met behulp van afbeeldingen met een lage resolutie van dieren die in vloeibare cultuur groeien om groei, calciumdynamiek, medicijneffecten op hun gedrag 16,17,18,19, hun levensduur en veroudering20 te observeren. Langetermijnstudies met behulp van microscopie met hoge resolutie zijn uitgevoerd om synaptische ontwikkeling21, neuronale regeneratie22 en mitochondriale toevoeging23 te beoordelen. Langetermijnbeeldvorming met hoge resolutie en tracering van het lot en de differentiatie van cellen zijn gedaan in meerkanaalsapparaten24,25. Verschillende cellulaire en subcellulaire gebeurtenissen vinden plaats over de tijdschalen van enkele uren en vereisen het vangen van hetzelfde individu op verschillende tijdstippen tijdens hun ontwikkeling om alle tussenstappen in het proces te karakteriseren om cellulaire dynamiek in vivo te begrijpen. Om biologische processen zoals organogenese, neuronale ontwikkeling en celmigratie in beeld te brengen, moet het dier op meerdere tijdstippen in dezelfde oriëntatie worden geïmmobiliseerd. We hebben eerder een protocol gepubliceerd voor beeldvorming met hoge resolutie van C. elegans gedurende meer dan 36 uur om te bepalen waar mitochondriën worden toegevoegd langs de aanraakreceptorneuronen (TRN’s)23.
Dit artikel biedt een protocol voor het vaststellen van een op microfluïdica gebaseerde methodologie voor herhaalde beeldvorming met hoge resolutie. Dit apparaat, met een enkel stroomkanaal, is het meest geschikt voor herhaalde beeldvorming van een enkel dier per apparaat. Om de doorvoer te verbeteren en veel dieren tegelijk in beeld te brengen, kunnen meerdere apparaten op dezelfde drukleiding worden aangesloten, maar met afzonderlijke driewegconnectoren die een enkel dier in elk apparaat besturen. Het ontwerp is nuttig voor studies die time-lapse-beelden met hoge resolutie vereisen, zoals post-embryonale ontwikkelingsprocessen, celmigratie, organeltransport, genexpressiestudies, enz. De technologie kan beperkend zijn voor sommige toepassingen, zoals levensduur- en verouderingsstudies die parallelle groei en beeldvorming van veel dieren in een laat stadium vereisen. Polydimethylsiloxaan (PDMS) elastomeer werd gebruikt voor de fabricage van dit apparaat vanwege de biostabiliteit26, biocompatibiliteit 27,28, gaspermeabliliteit29,30 en instelbare elastische modulus31. Dit tweelaagse apparaat maakt de groei mogelijk van dieren met continue voedseltoevoer in een microfluïdisch kanaal en het vangen van individuele C. elegans via PDMS-membraancompressie met behulp van stikstofgas. Dit apparaat is een uitbreiding van het eerder gepubliceerde apparaat met het voordeel dat hetzelfde dier in het microkanaal wordt gekweekt en in beeld gebracht onder een continue voedselvoorziening3. Het extra isolatiemembraannetwerk en een 2 mm breed vangmembraan maken een efficiënte immobilisatie van ontwikkelende dieren mogelijk. Het apparaat is gebruikt om neuronale ontwikkeling, vulvalontwikkeling en dendritische prieelvorming in sensorische PVD-neuronen te observeren. De dieren groeien zonder nadelige gezondheidseffecten in het apparaat en kunnen herhaaldelijk worden geïmmobiliseerd om het afbeelden van subcellulaire gebeurtenissen bij hetzelfde dier tijdens de ontwikkeling te vergemakkelijken.
Het hele protocol is verdeeld in vijf delen. Deel 1 beschrijft de fabricage van apparaten voor de groei- en beeldvormingschip. Deel 2 beschrijft hoe een druksysteem moet worden opgezet voor de PDMS-membraanafbuiging om individuele C. elegans te immobiliseren en te isoleren. Deel 3 beschrijft hoe C. elegans op een nematode groeimedium (NGM) plaat te synchroniseren voor beeldvorming van apparaten. Deel 4 beschrijft hoe je een enkel dier in het apparaat laadt en het dier gedurende meerdere dagen in het microfluïdische apparaat laat groeien. Deel 5 beschrijft hoe een individueel dier op meerdere tijdstippen kan worden geïmmobiliseerd, afbeeldingen met een hoge resolutie kunnen worden vastgelegd met verschillende doelstellingen en de afbeeldingen kunnen worden geanalyseerd met Fiji.
In dit artikel is een protocol beschreven voor de fabricage en het gebruik van een eenvoudig microfluïdisch apparaat voor het kweken van C. elegans met constante voedselvoorziening en beeldvorming met hoge resolutie van een enkel dier tijdens de ontwikkeling ervan. Dit fabricageproces is eenvoudig en kan worden uitgevoerd in een niet-steriele omgeving. Een stofvrije omgeving is van cruciaal belang tijdens fabricagestappen. De aanwezigheid van stofdeeltjes zou leiden tot onjuist contact tussen de twee verlijming…
The authors have nothing to disclose.
We bedanken CIFF imaging facility, NCBS voor het gebruik van de confocale microscopen ondersteund door het DST – Centre for Nanotechnology (Nr. SR/55/NM-36-2005). We bedanken onderzoeksfinanciering van DBT (SPK), CSIR-UGC (JD), DST (SM), DBT (SM), draaiende schijf ondersteund door DAE-PRISM 12-R&D-IMS-5.02.0202 (SPK en Gautam Menon) en HHMI-IECS-subsidienummer 55007425 (SPK). HB101-, PS3239– en wdIs51-stammen werden geleverd door het Caenorhabditis Genetics Center (CGC), dat wordt gefinancierd door het NIH Office of Research Infrastructure Programs (P40 OD010440). S.P.K. maakte jsIs609 in het laboratorium van Mike Nonet.
18 G needles | Sigma-Aldrich, Bangalore, India | Gauge 18 | |
3-way stopcock | Cole-Parmer | WW-30600-02 | Masterflex fitting with luer lock |
CCD camera | Andor Technology | EMCCD C9100-13no | |
Circuit board film | Fine Line Imaging, Colorado, USA | The designs are printed with 65,024 dots per inch (DPI) | |
Convection Oven | Meta-Lab Scientific Industries, India | MSI-5 | |
Coverslips | Blue stat microscopic cover glass | 22mm x 10Gms | |
Ethanol | Hi media | ||
Harris uni-core puncher 1mm | Qiagen | Z708801 | |
Hexamethyldisilazane | Sigma-Aldrich, Bangalore, India | 440191 | |
Hot plate | IKA | RCT B S 22 | |
Isopropanol | Fisher Scientific | 26895 | |
KOH | Fisher Scientific | ||
Laser Scanning Microscope | ZEISS | LSM 5 LIVE | |
Micropipette tips | Tarsons | 0.5-10 µL micropipette tips are used for food supply | |
Negative Photoresist-1 | Microchem | SU8-2025 | http://www.microchem.com/Prod-SU82000.htm |
Negative Photoresist-2 | Microchem | SU8-2050 | http://www.microchem.com/Prod-SU82000.htm |
Nitrogen gas | Local Supplier | Commercial nitrogen gas | Cylinder volume of 7 cubic meter |
PDMS (Curing solution) | Dow Corning Corporation, MI, USA | Sylgard curing solution | curing agent |
Petri plates | Praveen Scientific Corporation | ||
Plasma cleaner | Harrick Plasma, NY, USA | PDC-32G | |
Razor and blades | Lister surgical Blade | ||
Silicon Elastomer (Base) | Dow Corning Corporation, MI, USA | Sylgard 184 base | elastomer base |
Silicon tubes | Fisher Scientific | Plastic tubes with the inner diameter 1.59 mm and the outer diameter 3.18 mm | |
Silicon wafer | University Wafer, MA, USA | [100] orientation, 4-inch diameter | Small pieces (2 mm × 2 mm) were cut from 100 mm diameter wafer |
Spin Coater | SPS-Europe B.V., The Netherlands | SPIN 150 | |
Spinning Disk microscope | Perkin Elmer ultra-view VOX system | CSU-X1-A3 N | The system was equipped with four (405/488/561/640 nm) lasers and controlled with the Volocity software package. |
SU8 developer | Microchem, MA, USA | SU8 Developer | |
Trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane | Sigma-Aldrich, Bangalore, India | 448931 | Trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane vapor is toxic |
UV lamp | Oriel Instruments, Bangalore, India | 200 Watt and collimated UV light source | |
Volocity software | Perkin-Elmer | Image analysis |