고밀도 바코드 항체 마이크로 어레이의 흐름 패턴 가이드 제작
Summary
이 프로토콜은 세포 신호 전달 연구와 바이오 마커 검출 잠재적 인 응용 프로그램과 대규모의 제조, 다중화 된 두 차원의 DNA 또는 항체 배열을 설명합니다.
Abstract
Antibody microarray as a well-developed technology is currently challenged by a few other established or emerging high-throughput technologies. In this report, we renovate the antibody microarray technology by using a novel approach for manufacturing and by introducing new features. The fabrication of our high-density antibody microarray is accomplished through perpendicularly oriented flow-patterning of single stranded DNAs and subsequent conversion mediated by DNA-antibody conjugates. This protocol outlines the critical steps in flow-patterning DNA, producing and purifying DNA-antibody conjugates, and assessing the quality of the fabricated microarray. The uniformity and sensitivity are comparable with conventional microarrays, while our microarray fabrication does not require the assistance of an array printer and can be performed in most research laboratories. The other major advantage is that the size of our microarray units is 10 times smaller than that of printed arrays, offering the unique capability of analyzing functional proteins from single cells when interfacing with generic microchip designs. This barcode technology can be widely employed in biomarker detection, cell signaling studies, tissue engineering, and a variety of clinical applications.
Introduction
항체 Microarrays 널리 생체 단백질 1-3 비롯한 표적 단백질의 존재를 조사하기 위해 수십 년간 단백체 연구에 사용되었다. 이 필드는 현재와 같은 질량 분석기 (MS) 등의 높은 처리량 기술에서 큰 도전에 직면하고 있지만, 이러한 장치는 다른 분석과 간단한 데이터 해석과 쉬운 인터페이스를 여유가 주로 때문에, 여전히 항체 마이크로 어레이의 유틸리티의 여지가있다. 최근 몇 년 동안, 마이크로 칩의 발판으로 마이크로 어레이의 통합은 항체 마이크로 어레이에게 4-7 번창 할 수있는 새로운 기회를 제공하고 있습니다. 예를 들어, 단일 – 셀 마이크로 칩에 통합 바코드 마이크로 어레이는 휴대 통신 8,9 연구에서 사용되어왔다. 이 기술은 다른 사용 가능한 마이크로 어레이 기술에 비해 독특한 장점이 있습니다. 그것은 기존의 마이크로 어레이 elemen에서 사용되는 전형적인 150 μm의 크기보다 훨씬 작은 10 ~ 100 μm의에서 배열 요소를 갖추고 있습니다TS. 작은 어레이 요소의 구성은 체계적 흐름 패터닝 방법을 이용하여 달성되며, 이는 단일 세포 분비 된 단백질과 세포 내 단백질을 검출 할 수있는 소형 마이크로 어레이를 일으킨다. 또 다른 장점은 간단한기구가없는 설정의 사용이다. 대부분의 실험실 및 작은 기업이 마이크로 어레이 코어 설비에 액세스 할 수 없을 수 있기 때문에, 특히 중요하다. 이러한 바코드 항체 마이크로 어레이 분석 처리량의 개선 된 특성과 종래의 샌드위치 효소 면역 분석법의 것과 유사한 높은 민감도와 특이도 (ELISA 8)를 가지면서 단일 세포에 높은 다중 분석법을 수행하는 데 사용될 수있다. 이 기술은 종양 세포를 13 아교 모세포종 단백질 9-11에서, T 세포 (12)를 검출하고, 순환하는 수많은 응용 분야를 발견하고있다. 또한, 바코드의 DNA 마이크로 어레이는 혼자 해내는 대한 신경과 성상 세포의 정확한 위치에 사용되어왔다뇌 조직 (14)의 생체 어셈블리를 보내고.
이 프로토콜은 단지 실험 단계와 유체 샘플에서 바이오 마커의 검출에 응용 가능성을 갖는 2 차원 (2-D) 바코드 항체 마이크로 어레이의 빌드 업 블록과 하나의 셀에 초점을 맞추고있다. 기술 어 드레서, 단일 가닥 일 차원 (1-D) DNA 마이크로 어레이에 기반을 유리 기판 상에 공간적으로 패터닝 직교 올리고 뉴클레오티드를 사용하여 구축 하였다. 평행 유동 채널이 플로 패터닝 공정에서 사용되는 경우 1-D 패턴을 형성하고, 이러한 패턴은 1-D 제품 코드 (Universal Product Code, UPC) 바코드 비슷해 이산 밴드로 나타난다. 2-D (n × m) 개의 항체 어레이의 건설 – 2-D 빠른 응답 (QR) 매트릭스 코드 연상 – 더 복잡한 패터닝 전략을 필요로하지만, 높은 밀도 8,15에서 항체의 고정화를 허용한다. 제조둘째 직교 1 패턴 두 DNA 패터닝 단계를 필요로한다. 이 두 가지 패턴의 교차점 어레이의 N × M 소자를 구성한다. 전략적 유동 패터닝에서 사용될 단일 가닥 DNA (ssDNA를)의 시퀀스를 선택함으로써, 주어진 배열의 각 요소는 특정 주소가 할당된다. 이 공간 참조는 마이크로 어레이 슬라이드에 형광 신호를 구별 필요하다. ssDNA를 어레이 (DEAL 16)로 인코딩 된 DNA 항체 라이브러리라는 플랫폼을 형성하는 상보 적 DNA 항체 컨쥬 게이트의 혼입을 통해 항체 배열로 변환된다.
이 비디오 프로토콜은 두 방향에서 제조 포함 N × M 개의 항체 배열 된 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 바코드 금형, 유동 패터닝 ssDNA를를 생성 항체 올리고 뉴클레오티드 DEAL 접합체를 제조하고, (3)에 3 × 3 DNA 배열을 변환하는 주요 단계를 설명× 3 항체 배열입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
흐름 패턴 디자인은 2-D 마이크로 어레이를 제조하는데 중요한 첫 단계이다. 유리 기판 상에 겹치는 두 DNA 패턴을 생성하기 위해, 제 디자인의 채널 특징은 초 (도 1A-B)들에 수직이어야한다. 디자인은 또한 마이크로 어레이의 다운 스트림 응용 프로그램을 고려합니다. 단일 세포 분석의 경우, 마이크로 어레이는, 따라서 채널 치수는 2-D 어레이에 정렬 microchambers 양립되어 m…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the startup fund from SUNY Albany and the access of facilities at the University at Albany Cancer Research Center.
Materials
| Sylgard 184 silicone elastomer base | Dow Corning | 3097366-1004 | |
| Sylgard 184 silicone elastomer curing agent | Dow Corning | 3097358-1004 | |
| SU-8 2025 photoresist | MicroChem | Y111069 | |
| Silicon wafers | University Wafers | 452 | |
| Poly-L-lysine coated glass slides | Thermo Scientific | C40-5257-M20 | |
| Oligonucleotides | Integrated DNA Technologies | *Custom-ordered from Integrated DNA Technologies, see table below | |
| Poly-L-lysine adhesive stock solution | Newcomer Supply | 1339 | |
| Bis (sulfosuccinimidyl) suberate (BS3) | Thermo Scientific | 21585 | |
| 1x Phosphate buffered saline, pH 7.4 | Quality Biological | 114-058-101 | |
| Äkta Explorer 100 Fast Protein Liquid Chromatography (FPLC) System | GE (Amersham Pharmacia) | 18-1112-41 | |
| Superose 6 10/300 GL column | GE Healthcare Life Sciences | 17-5172-01 | |
| Capture antibodies | various | various | *Antibody selection depends on application |
| Succinimidyl-6-hydrazino-nicotinamide (S-HyNic) | Solulink | S-1002 | |
| Succinimidyl-4-formylbenzamide (S-4FB) | Solulink | S-1004 | |
| N,N-dimethylformamide | Sigma-Aldrich | 227056 | |
| Citric acid, anhydrous | Acros | 42356 | |
| Sodium hydroxide | Fisher Scientific | S318 | |
| Amicon Ultra spin filter 10 kDa MWCO | EMD Millipore | UFC201024 | |
| Spin coater | Laurell Technologies | WS-650-MZ | |
| Biopsy punch with plunger (0.50 mm diameter) | Electron Microscopy Sciences | 57393 | |
| Diamond scribe (Style 60) | SPI supplies | 6004 | |
| Trimethylchlorosilane | Sigma Aldrich | 92361 |
References
- Alhamdani, M. S. S., Schroder, C., Hoheisel, J. D. Oncoproteomic profiling with antibody microarrays. Genome Med. 1 (7), (2009).
- Angenendt, P. Progress in protein and antibody microarray technology. Drug Discov Today. 10 (7), 503-511 (2005).
- Sun, H. Y., Chen, G. Y. J., Yao, S. Q. Recent advances in microarray technologies for proteomics. Chem Biol. 20 (5), 685-699 (2013).
- Fan, R., et al. Integrated barcode chips for rapid, multiplexed analysis of proteins in microliter quantities of blood. Nat Biotechnol. 26 (12), 1373-1378 (2008).
- Chattopadhyay, P. K., Gierahn, T. M., Roederer, M., Love, J. C. Single-cell technologies for monitoring immune systems. Nat Immunol. 15 (2), 128-135 (2014).
- Varadarajan, N., et al. Rapid, efficient functional characterization and recovery of HIV-specific human CD8(+) T cells using microengraving. Proc Natl Acad Sci USA. 109 (10), 3885-3890 (2012).
- Ma, S., et al. Electroporation-based delivery of cell-penetrating peptide conjugates of peptide nucleic acids for antisense inhibition of intracellular bacteria. Integr Biol-Uk. 6 (10), 973-978 (2014).
- Wang, J., et al. Quantitating cell-cell interaction functions with applications to glioblastoma multiforme cancer cells. Nano Lett. 12 (12), 6101-6106 (2012).
- Kravchenko-Balasha, N., Wang, J., Remacle, F., Levine, R. D., Heath, J. R. Glioblastoma cellular architectures are predicted through the characterization of two-cell interactions. Proc Natl Acad Sci USA. 111 (17), 6521-6526 (2014).
- Xue, M., et al. Chemical methods for the simultaneous quantitation of metabolites and proteins from single cells. J Am Chem Soc. 137 (12), 4066-4069 (2015).
- Shi, Q. H., et al. Single-cell proteomic chip for profiling intracellular signaling pathways in single tumor cells. Proc Natl Acad Sci USA. 109 (2), 419-424 (2012).
- Ma, C., et al. A clinical microchip for evaluation of single immune cells reveals high functional heterogeneity in phenotypically similar T cells. Nat Med. 17 (6), 738-743 (2011).
- Deng, Y., et al. An integrated microfluidic chip system for single-cell secretion profiling of rare circulating tumor cells. Sci Rep. 4, 7499 (2014).
- Vermesh, U., et al. High-density, multiplexed patterning of cells at single-cell resolution for tissue engineering and other applications. Angew Chem Int Ed. 50 (32), 7378-7380 (2011).
- Yu, J., et al. Microfluidics-based single-cell functional proteomics for fundamental and applied biomedical applications. Annu Rev Anal Chem. 7, 275-295 (2014).
- Bailey, R. C., Kwong, G. A., Radu, C. G., Witte, O. N., Heath, J. R. DNA-encoded antibody libraries: A unified platform for multiplexed cell sorting and detection of genes and proteins. J Am Chem Soc. 129, 1959-1967 (2007).
- Alegria-Schaffer, A. General protein-protein cross-linking. Methods Enzymol. 539, 81-87 (2014).
- Ahmad, H., et al. A robotics platform for automated batch fabrication of high density, microfluidics-based DNA microarrays, with applications to single cell, multiplex assays of secreted proteins. Rev Sci Instrum. 82, 094301 (2011).
