Summary

Simple Polyacrylamid-baserede Multiwell Stivhed Assay for Studiet af Stivhed afhængige celleresponser

Published: March 25, 2015
doi:

Summary

Here, a method that enables quick, efficient, and inexpensive preparation of polyacrylamide gels in a multiwell plate format is described. The method does not require any specialized equipment and could be easily adopted by any research laboratory. It would be particularly useful in research focused on understanding stiffness-dependent cell responses.

Abstract

Currently, most of the in vitro cell research is performed on rigid tissue culture polystyrene (~1 GPa), while most cells in the body are attached to a matrix that is elastic and much softer (0.1 – 100 kPa). Since such stiffness mismatch greatly affects cell responses, there is a strong interest in developing hydrogel materials that span a wide range of stiffness to serve as cell substrates. Polyacrylamide gels, which are inexpensive and cover the stiffness range of all soft tissues in the body, are the hydrogel of choice for many research groups. However, polyacrylamide gel preparation is lengthy, tedious, and only suitable for small batches. Here, we describe an assay which by utilizing a permanent flexible plastic film as a structural support for the gels, enables the preparation of polyacrylamide gels in a multiwell plate format. The technique is faster, more efficient, and less costly than current methods and permits the preparation of gels of custom sizes not otherwise available. As it doesn’t require any specialized equipment, the method could be easily adopted by any research laboratory and would be particularly useful in research focused on understanding stiffness-dependent cell responses.

Introduction

De fleste væv i kroppen er bløde viskoelastiske materialer med en Youngs modul i området fra 0,1 kPa for hjernen til 100 kPa for blød brusk, endnu, de fleste in vitro celle forskning foregår på vævskultur polystyren (TCP), som har et modul på ~ 1 GPa . 1 Dette stivhed mismatch i høj grad påvirker den måde celler reagerer på deres omgivelser. En voksende mængde forskning er således dedikeret til at belyse effekten af substrat stivhed om skæbne forskellige celletyper, 2,3 herunder stamceller. 4 Som følge heraf har flere hydrogeler blevet udviklet til at hjælpe med forståelsen af stivhed-afhængig celle biologi herunder polyacrylamid (PA), 5-7 polyethylenglycol (PEG), 8,9 polydimethylsiloxan (PDMS), 10 og alginat. 11 Mens bevis for, at underlaget stivhed har en væsentlig indvirkning på celle skæbne er stigende, er de fleste undersøgelser på en lille skala med et lille antal ssempler. Systematiske, multidimensionale undersøgelser af virkningen af substrat stivhed for en række celletyper eller miljømæssige forhold er sjældne. 12

Der er udviklet flere lovende high-throughput hydrogel teknologier, herunder PEG-baserede microarrays, 13 mikrofluidenheder til produktion af agarose hydrogel mikroperler, 14 eller mikro- og nano-stænger hvor stivhed moduleres af diameter og højde mikrostavene. 15. Dog , de teknologier til fremstilling af sådanne substrater er sofistikeret og tilgængelig for begrænset antal laboratorier. Megen forskning involverer stivhed moduleret cellereaktioner udnytter polyacrylamid (PA) geler, som ikke kun er billig og enkel at gennemføre, men også udviser en fysiologisk relevant række Youngs modul, nemlig 0,3 -. 300 kPa 16-22 Men de eksisterende metoder til at fremstille PA geler til cellekultur er arbejdskrævende og dermed prepARED i små partier. Nogle af de vanskeligheder, der er forbundet med udarbejdelsen af ​​PA geler som cellesubstrater skyldes kravet om, at gelerne skal være forberedt: 1) i fravær af ilt for at tillade fuldstændig polymerisering, 2) med en flad og jævn overflade for at muliggøre en ensartet celle fastgørelse og spredning, og 3) permanent fastgjort til bunden af ​​cellekultur skålen for at forhindre flydende.

Adskillige grupper har forsøgt at producere PA geler til cellekultur i store partier. Semler et al. Forberedte tykke plader af PA geler, der var så "cut" med en hulning og anbringes i 96-brønds plader. 23. Men denne metode er begrænset til stivere geler, dvs.> 1 kPa i Youngs modul, fordi blødere geler "sticky", svært at skære og beskadiges let. MIH et al. Udviklet en mere sofistikeret teknik, som gør det muligt geler direkte polymeriseret i en glasbund multibrøndsplade. <sop> 6 Dette blev opnået ved at hælde gelen løsninger i funktionaliserede glasbund plader og danner geler med "sandwich" dem med en brugerdefineret dækglas array. 6 Selvom meget lovende, lille kant effekter stadig observeret med denne teknik. Derudover teknikken kræver en specialdesignet opstilling ikke umiddelbart tilgængelige for mange laboratorier samt dyre glasbund flerbrøndsplader.

Dette papir beskriver en enkel og billig måde at samle PA geler i en flerbrøndsplade, der let kunne vedtages af alle laboratorier. Her er en fleksibel plastik støtte anvendes, der har to sider – en hydrofob en, som er afvisende PA geler og et hydrofilt, som kovalent binder PA gel ved deposition. Når PA gel ark aflejres og permanent fastgjort til den fleksible plastik støtte, gør det muligt at håndtere geler af enhver tykkelse eller stivhed og skære dem i enhver ønsket form. Denne ca.oach ikke kun producerer tilpassede plast «dækglas« i størrelser ellers ikke kommercielt tilgængelige, men også overflødiggør behovet for at forbehandle glasoverflader, enten dækglas eller brøndene i dyre glasbund flerbrøndsplader med en PA bindende løsning, som er en kedelig og tidskrævende trin. Endelig kan ensartede PA gels plader fremstilles på store partier og opbevares de-hydreret i flere måneder.

Sammenfattende assay præsenteres her, er en forbedring i forhold til eksisterende metoder i flere aspekter. Først processen flerbrøndspladen samling er effektiv, og de samlede omkostninger ved de nødvendige materialer er lav. For det andet er de hydrogeler som produceres i store partier i en enkelt homogen gel film. Endelig er kun materialer, der er kommercielt tilgængelige påkrævet. Anvendeligheden af ​​assayet er vist ved at undersøge virkningen af ​​substrat stivhed på cellemorfologi og spredning område.

Protocol

1. Fremstilling af Hydrogel-associerede løsninger og alikvoter Fremstilling af polyacrylamidgel precursor-opløsning. Forbered polyacrylamidgel forstadium ved at blande acrylamid (A) (40% w / v, M r 71,08 g / mol), tværbinderen bisacrylamid (B) (2% w / v, M r 154,17 g / mol), og ud- ioniseret vand i volumen procentsatser i tabel 1. BEMÆRK: Disse opløsninger kan fremstilles i store partier og opbevaret ved 4 ° C i op til flere måneder. ADVAR…

Representative Results

Polyacrylamid (PA) hydrogeler er almindeligt anvendt til at teste stivhed afhængig celle responser. 17,24 Ved at blande forskellige koncentrationer af acrylamid (A) og bis-acrylamid (B) kan man gøre PA geler, der spænder stivheden række fleste bløde væv i kroppen – 0,3 -.. 300 kPa Youngs modul 1 imidlertid fremstilling af polyacrylamidgeler er besværligt og tidskrævende, ofte begrænser deres anvendelighed i "high-throughput" applikationer såsom for eksempel lægemiddelscreening …

Discussion

Polyacrylamidgeler oprindelig er udviklet til elektroforese 28 nu rutinemæssigt anvendes som celledyrkningssubstrater at undersøge virkningerne af substrat stivhed på cellemorfologi, motilitet og kommunikation 3,24,29 blandt andre celletyper egenskaber. Polyacrylamid tillader manipulation af substrat stivhed til at omfatte stivheden af alle bløde væv i kroppen (0,3-300 kPa) 1 med en simpel ændring i koncentration polymerpræcursor (figur 2, tabel 1, se også refere…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was funded by start-up funds provided to Dr. Silviya Zustiak by Saint Louis University as well as by a President’s Research Fund (PRF) grant awarded to Dr. Silviya Zustiak by Saint Louis University. We thank Naveed Ahmed and Keval Shah for technical assistance.

Materials

Reagents
40% Acrylamide Bio-Rad 161-0140
2% Bis-acrylamide Bio-Rad 161-0142
Ammonium Persulfate Bio-Rad 161-07000
TEMED Sigma Aldrich T9281
Sulfo-SANPAH Thermo Scientific 22589
Collagen Type 1, from Rat tail, 3.68 mg/mL BD Biosciences 354236
Dimethyl sulfoxide (DMSO) Fisher Scientific  BP231-100
Hydrophobic solution – Repel Silane  GE Healthcare Bio-Sciences 17-1332-01
PBS (1x), pH 7.4 HyClone SH30256.01
Polydimehylsiloxane (PDMS) [Slygard 182 Elastomer Kit] Elsworth Adhesives 3097358-1004
Tyrpsin/EDTA (10x) Sigma Aldrich 44174
RPMI-1640 Medium (1x) HyClone SH30027-02
Fetal Bovine Serum HyClone SH30073-03
Penicillin Streptomycin MP Biomedicals 1670046
Detergent – Triton-X Sigma Aldrich T8787
Formaldehyde 37% Solution Sigma Aldrich F1635
Bovine Serum Albumin (BSA) Sigma Aldrich A2153
BSA-based cell adhesion blocking kit – ECM Cell Adhesion Array Kit Chemicon International ECM540
Disposable lab equipment
flexible plastic support – GelBond PAG Film for Polyacrylamide Gels GE Healthcare Bio-Sciences 309819
Glass Plates Slumpys GBS4100SFSL
50 mL Conicals Fisher Scinetific 3181345107
15 mL Conicals FALCON 352097
Micro centrifuge tubes Fisher Scinetific 2 mL: 02681258
96-well plate (flat bottom) Fisher Scinetific 12565501
Disposable Pipettes (1 mL, 2mL, 5mL, 10mL, 25 mL, 50mL) Fisher Scinetific 1 mL: 13-678-11B, 2mL: 05214038, 5mL(FALCON): 357529, 10mL: 13-678-11E, 25mL: 13-678-11, 50mL: 13-678-11F
Glass Transfer Pipettes Fisher Scinetific 5 3/4": 1367820A, 9":136786B
Pipette Tips (1-200uL, 101-1000uL) Fisher Scinetific 2707509
Plastic Standard Disposable Transfer Pipettes Fisher Scientific 13-711-9D
Parafilm PARAFILM  PM992
Powder Free Examination Gloves Quest 92897
Silicone spacers – Silicone sheet, 0.5 mm thick/13 cm x 18 cm Grace Bio-Labs JTR-S-0.5
Large/non-disposable lab equipment
Light and Flourescent Microscope (Axiovert 200M) Zeiss 3820005619
Microscope Software Zeiss AxioVision Rel. 4.8.2
UV oven UVITRON UV1080
Vacuum chamber/degasser BelArt 999320237
Vacuum pump for degasser KNF Lab 5097482
Tissue Culture Hood NUAIRE NU-425-600
Chemical Fume Hood KEWAUNEE 99151
Inverted Microscope (Axiovert 25) Zeiss 663526
Incubator NUAIRE NU-8500
Pipette Aid Drummond Scientific Co. P-76864
Hemacytometer Bright-Line 383684

References

  1. Levental, I., Georges, P. C., Janmey, P. A. Soft biological materials and their impact on cell function. Soft Matter. 3, 299-306 (2007).
  2. Minton, K. Mechanotransduction: A stiff response. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 15 (8), 500-500 (2014).
  3. Yeung, T., et al. Effects of substrate stiffness on cell morphology, cytoskeletal structure, and adhesion. Cell motility and the cytoskeleton. 60 (1), 24-34 (2005).
  4. Watt, F. M., Huck, W. T. Role of the extracellular matrix in regulating stem cell fate. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 14 (8), 467-473 (2013).
  5. Zustiak, S., Nossal, R., Sackett, D. L. Multiwell stiffness assay for the study of cell responsiveness to cytotoxic drugs. Biotechnology and bioengineering. 111 (2), (2014).
  6. Mih, J. D., et al. A multiwell platform for studying stiffness-dependent cell biology. PLoS One. 6 (5), e19929 (2011).
  7. Sunyer, R., Jin, A. J., Nossal, R., Sackett, D. L. Fabrication of hydrogels with steep stiffness gradients for studying cell mechanical response. PloS one. 7 (10), e46107 (2012).
  8. Herrick, W. G., et al. PEG-phosphorylcholine hydrogels as tunable and versatile platforms for mechanobiology. Biomacromolecules. 14 (7), 2294-2304 (2013).
  9. Tokuda, E. Y., Leight, J. L., Anseth, K. S. Modulation of matrix elasticity with PEG hydrogels to study melanoma drug responsiveness. Biomaterials. 35 (14), 4310-4318 (2014).
  10. Feng, J., et al. Substrate stiffness influences the outcome of antitumor drug screening in vitro. Clinical hemorheology and microcirculation. 55 (1), 121-131 (2013).
  11. Ramamoorthi, K., Hara, J., Ito, C., Asuri, P. Role of Three-Dimensional Matrix Stiffness in Regulating the Response of Human Neural Cells to Toxins. Cellular and Molecular Bioengineering. 7 (2), 1-7 (2014).
  12. Tilghman, R. W., et al. Matrix rigidity regulates cancer cell growth and cellular phenotype. PloS one. 5 (9), e12905 (2010).
  13. Gobaa, S., et al. Artificial niche microarrays for probing single stem cell fate in high throughput. Nature methods. 8 (11), 949-955 (2011).
  14. Kumachev, A., et al. High-throughput generation of hydrogel microbeads with varying elasticity for cell encapsulation. Biomaterials. 32 (6), 1477-1483 (2011).
  15. Fu, J., et al. Mechanical regulation of cell function with geometrically modulated elastomeric substrates. Nature Methods. 7 (9), 733-736 (2010).
  16. Pelham, R. J., Wang, Y. Cell locomotion and focal adhesions are regulated by substrate flexibility. Proc Natl Acad Sci U S A. 94 (25), 13661-13665 (1997).
  17. Tse, J. R., Engler, A. J., et al. Preparation of hydrogel substrates with tunable mechanical properties. Current protocols in cell biology / editorial board, Juan S. Bonifacino … [et al.]. 10 (Unit 10 16), (2010).
  18. Yeung, T., et al. Effects of substrate stiffness on cell morphology, cytoskeletal structure, and adhesion. Cell motility and the cytoskeleton. 60 (1), 24-34 (2005).
  19. Lo, C. -. M., Wang, H. -. B., Dembo, M., Wang, Y. -. l. Cell movement is guided by the rigidity of the substrate. Biophysical journal. 79 (1), 144-152 (2000).
  20. Engler, A. J., Sen, S., Sweeney, H. L., Discher, D. E. Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell. 126 (4), 677-689 (2006).
  21. Discher, D. E., Janmey, P., Wang, Y. -. l. Tissue cells feel and respond to the stiffness of their substrate. Science. 310 (5751), 1139-1143 (2005).
  22. Young, D. A., Choi, Y. S., Engler, A. J., Christman, K. L. Stimulation of adipogenesis of adult adipose-derived stem cells using substrates that mimic the stiffness of adipose tissue. Biomaterials. 34 (34), 8581-8588 (2013).
  23. Semler, E. J., Lancin, P. A., Dasgupta, A., Moghe, P. V. Engineering hepatocellular morphogenesis and function via ligand-presenting hydrogels with graded mechanical compliance. Biotechnology Bioengineering. 89 (3), 296-307 (2005).
  24. Reinhart-King, C. A., Dembo, M., Hammer, D. A. Cell-cell mechanical communication through compliant substrates. Biophysical journal. 95 (12), 6044-6051 (2008).
  25. Fischer, R. S., Myers, K. A., Gardel, M. L., Waterman, C. M. Stiffness-controlled three-dimensional extracellular matrices for high-resolution imaging of cell behavior. Nature protocols. 7 (11), 2056-2066 (2012).
  26. Quinlan, A. M., Billiar, K. L. Investigating the role of substrate stiffness in the persistence of valvular interstitial cell activation. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 100 (9), 2474-2482 (2012).
  27. Zustiak, S. P., Leach, J. B. Hydrolytically degradable poly(ethylene glycol) hydrogel scaffolds with tunable degradation and mechanical properties. Biomacromolecules. 11 (5), 1348-1357 (2010).
  28. Chrambach, A., Rodbard, D. Polyacrylamide gel electrophoresis. Science. 172 (3982), 440-451 (1971).
  29. Lin, Y. C., et al. Mechanosensing of substrate thickness. Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics. 82 (4), 041918 (2010).
  30. Chrambach, A. . The Practice of Quantitative Gel Electrophoresis. , (1985).
  31. Sagvolden, G., Giaever, I., Pettersen, E. O., Feder, J. Cell adhesion force microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (2), 471-476 (1999).
  32. Javaherian, S., Li, K. J., McGuigan, A. P. A simple and rapid method for generating patterned co-cultures with stable interfaces. BioTechniques. 55 (1), 21-26 (2013).
  33. Tarone, G., Galetto, G., Prat, M., Comoglio, P. M. Cell surface molecules and fibronectin-mediated cell adhesion: effect of proteolytic digestion of membrane proteins. The Journal of cell biology. 94 (1), 179-186 (1982).
  34. Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. Creasing instability of surface-attached hydrogels. Soft Matter. 4 (3), 564-569 (2008).
  35. Saha, K., et al. Surface creasing instability of soft polyacrylamide cell culture substrates. Biophysical journal. 99 (12), L94-L96 (2010).
  36. Buxboim, A., Rajagopal, K., Andre’EX, B., Discher, D. E. How deeply cells feel: methods for thin gels. Journal of Physics: Condensed Matter. 22 (19), 194116 (2010).
  37. Merkel, R., Kirchgessner, N., Cesa, C. M., Hoffmann, B. Cell force microscopy on elastic layers of finite thickness. Biophysical journal. 93 (9), 3314-3323 (2007).
check_url/52643?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Syed, S., Karadaghy, A., Zustiak, S. Simple Polyacrylamide-based Multiwell Stiffness Assay for the Study of Stiffness-dependent Cell Responses. J. Vis. Exp. (97), e52643, doi:10.3791/52643 (2015).

View Video