توليد الظروف البيئية الديناميكية باستخدام جهاز Microfluidic عالي الإنتاجية
Summary
نحن نقدم نظام microfluidic لدراسات الإنتاجية العالية على آلات الحياة المعقدة ، والتي تتكون من 1500 وحدة ثقافة ، ومجموعة من المضخات التجهر المحسنة ومعامل خلط في الموقع. رقاقة microfluidic يسمح لتحليل الظروف البيئية الدقيقة معقدة للغاية وديناميكية في الجسم الحي.
Abstract
تقليد في الظروف البيئية في الجسم الحي أمر بالغ الأهمية للدراسات المختبرية على آلات الحياة المعقدة. ومع ذلك ، فإن التقنيات الحالية التي تستهدف الخلايا والأعضاء الحية إما مكلفة للغاية ، مثل الروبوتات ، أو تفتقر إلى حجم النانولتر ودقة الوقت مللي ثانية في التلاعب السائل. نقدم هنا تصميم وتصنيع نظام microfluidic ، والذي يتكون من 1500 وحدة ثقافية ، ومجموعة من المضخات التمعجية المحسنة ومعامل خلط في الموقع. لإثبات قدرات الجهاز microfluidic ، يتم الحفاظ على مجالات الخلايا الجذعية العصبية (NSC) في النظام المقترح. لاحظنا أنه عندما يتعرض مجال NSC لCXCL في اليوم 1 وEGF في اليوم 2 ، يتم الحفاظ على التوافق على شكل دائري بشكل جيد. الاختلاف في ترتيب الإدخال من 6 أدوية يسبب تغييرات مورفولوجية في مجال NSC وعلامة ممثل مستوى التعبير عن الجذعية NSC (أي Hes5 و Dcx). وتشير هذه النتائج إلى أن الظروف البيئية الديناميكية والمعقدة لها آثار كبيرة على تمايز مجلس الأمن القومي والتجديد الذاتي، وأن الجهاز المقترح للمركبات الدقيقة هو منصة مناسبة لدراسات الإنتاجية العالية على آلية الحياة المعقدة.
Introduction
تقنيات الإنتاجية العالية حاسمة بالنسبة للدراسات الطبية الحيوية والسريرية. ومن خلال إجراء الملايين من الاختبارات الكيميائية أو الوراثية أو الحية للخلايا والأعضاء، يمكن للباحثين تحديد الجينات التي تعدل المسار الجزيئي الحيوي بسرعة، وتخصيص مدخلات الأدوية المتسلسلة للاحتياجات المحددة للمرء. الروبوتات 1 ورقائق microfluidic في تركيبة مع برنامج التحكم في الجهاز تسمح الإجراءات التجريبية المعقدة لتكون الآلي، والتي تغطي التلاعب الخلية / الأنسجة، والمناولة السائلة، والتصوير، ومعالجة البيانات / التحكم2،3. لذلك ، يمكن الحفاظ على مئات وآلاف الحالات التجريبية على رقاقة واحدة ، وفقا للسرعة المطلوبة4،5.
في هذا البروتوكول ، وصفنا إجراء التصميم والتصنيع لجهاز microfluidic ، والذي يتكون من 1500 وحدة ثقافة ، ومجموعة من المضخات التثابر المحسنة ومعامل الخلط في الموقع. تمنع غرفة ثقافة الخلية ذات المستويين القص غير الضروري أثناء التبادل المتوسط ، مما يضمن بيئة ثقافية غير مضطربة لتصوير الخلايا الحية على المدى الطويل. وتبين الدراسات أن الجهاز microfluidic المقترحة هي منصة مناسبة لدراسات الإنتاجية العالية على آلات الحياة المعقدة. وعلاوة على ذلك، فإن الميزات المتقدمة للرقاقة microfluidic تسمح إعادة تشكيل الآلي للظروف البيئة الدقيقة معقدة للغاية وديناميكية في الجسم الحي، مثل السيتوكينات المتغيرة باستمرار والتراكيب ليغاندس6،7، والانتهاء منها يستغرق شهورا للمنصات التقليدية مثل لوحة 96 جيدا.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد تم تطوير مختلف الأجهزة microfluidic لأداء تجارب متعددة ومعقدة17،18،19،20. على سبيل المثال ، يمكن أن microwells مصنوعة من مجموعة من فترات الاستراحة الطوبولوجية فخ الخلايا الفردية دون استخدام القوة الخارجية ، والتي تظهر شخصيات مف?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يقر المؤلفون بالدعم الفني المقدم من جيفنغ تشنغ من شركة تشانسن للصك (الصين) المحدودة. وقد تم دعم هذا العمل من خلال المنح (المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، 51927804).
Materials
| 2713 Loker Avenue West | Torrey pines scientific | ||
| AZ-50X | AZ Electronic Materials, Luxembourg | ||
| Chlorotrimethylsilane(TMCS) 92360-25mL | Sigma | ||
| CO2 Incubator HP151 | Heal Force | ||
| Desktop Hole Puncher for PDMS chips WH-CF-14 | Suzhou Wenhao Microfluidic Technology Co., Ltd. | ||
| DMEM(L-glutamine, High Glucose, henol Red) | Invitrogen | ||
| Electronic Balance UTP-313 Max:600g, e:0.1g, d:0.01g | Shanghai Hochoice Apparatus Manufacturer Co.,LTD. | ||
| FBS | Sigma | ||
| Fibronection 0.25 mg/mL | Millipore, Austria | ||
| Glutamax 100x | Gibco | ||
| Heating Incubator BGG-9240A | Shanghai bluepard instruments Co.,Ltd. | ||
| Nikon Model Eclipse Ti2-E | Nikon | ||
| Pen/Strep 10 Units/mL Penicillin 10 ug/mL Streptomycin | Invitrogen | ||
| Plasma cleaner PDC-002 | Harrick Plasma | ||
| polydimethylsiloxane(PDMS) | Momentive | ||
| polylysine 0.01% | Sigma | ||
| Spin coater ARE-310 | Awatori Rentaro | ||
| Spin coater TDZ5-WS | Cence | ||
| Spin coater WH-SC-01 | Suzhou Wenhao Microfluidic Technology Co., Ltd. | ||
| SU-8 3025 | MicroChem, Westborough, MA, USA | ||
| SU-8 3075 | MicroChem, Westborough, MA, USA |
References
- Michael, S., et al. A robotic platform for quantitative high-throughput screening. Assay and Drug Development Technologies. 6 (5), 637-657 (2008).
- Kim, S. J., Lai, D., Park, J. Y., Yokokawa, R., Takayama, S. Microfluidic automation using elastomeric valves and droplets: reducing reliance on external controllers. Small. 8 (19), 2925-2934 (2012).
- Melin, J., Quake, S. R. Microfluidic large-scale integration: the evolution of design rules for biological automation. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure. 36, 213-231 (2007).
- Tsui, J. H., Lee, W., Pun, S. H., Kim, J., Kim, D. H. Microfluidics-assisted in vitro drug screening and carrier production. Advanced Drug Delivery Reviews. 65 (11-12), 1575-1588 (2013).
- Junkin, M., et al. High-content quantification of single-cell immune dynamics. Cell Reports. 15 (2), 411-422 (2016).
- Obernier, K., Alvarez-Buylla, A. Neural stem cells: origin, heterogeneity and regulation in the adult mammalian brain. Development. 146 (4), (2019).
- Kageyama, R., Shimojo, H., Ohtsuka, T. Dynamic control of neural stem cells by bHLH factors. Neuroscience Research. 138, 12-18 (2019).
- Unger, M. A., Chou, H. P., Thorsen, T., Scherer, A., Quake, S. R. Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography. Science. 288 (5463), 113-116 (2000).
- Zhang, C., et al. Ultra-multiplexed analysis of single-cell dynamics reveals logic rules in differentiation. Science Advances. 5 (4), (2019).
- Quake, S. R., Scherer, A. From micro-to nanofabrication with soft materials. Science. 290 (5496), 1536-1540 (2000).
- Okandan, M., Galambos, P., Mani, S. S., Jakubczak, J. F. Development of surface micromachining technologies for microfluidics and BioMEMS. Microfluidics and BioMEMS. 4560, 133-139 (2001).
- Freshney, R. I. . Culture of Animal Cells: A Manual of Basic Technique and Specialized Applications, Sixth Edition. , (1983).
- Niu, W., et al. SOX2 reprograms resident astrocytes into neural progenitors in the adult brain. Stem Cell Reports. 4 (5), 780-794 (2015).
- Sarkar, D. K., et al. Cyclic adenosine monophosphate differentiated β-endorphin neurons promote immune function and prevent prostate cancer growth. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (26), 9105-9110 (2008).
- Watanabe, J., et al. Pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide-induced differentiation of embryonic neural stem cells into astrocytes is mediated via the β isoform of protein kinase. C. Journal of Neuroscience Research. 84 (8), 1645-1655 (2006).
- Watanabe, J., et al. Involvement of protein kinase C in the PACAP-induced differentiation of neural stem cells into astrocytes. Annals of the New York Academy of Sciences. 1070 (1), 597-601 (2006).
- Thorsen, T., Maerkl, S. J., Quake, S. R. Microfluidic large-scale integration. Science. 298 (5593), 580-584 (2002).
- Khademhosseini, A., et al. Cell docking inside microwells within reversibly sealed microfluidic channels for fabricating multiphenotype cell arrays. Lab on a Chip. 5 (12), 1380-1386 (2005).
- Martinez, A. W., Phillips, S. T., Whitesides, G. M. Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (50), 19606-19611 (2008).
- Zhang, Y., et al. DNA methylation analysis on a droplet-in-oil PCR array. Lab on a Chip. 9 (8), 1059-1064 (2009).
- Huang, N. T., Hwong, Y. J., Lai, R. L. A microfluidic microwell device for immunomagnetic single-cell trapping. Microfluidics and Nanofluidics. 22 (2), 16 (2018).
- Galler, K., Bräutigam, K., Große, C., Popp, J., Neugebauer, U. Making a big thing of a small cell-recent advances in single cell analysis. Analyst. 139 (6), 1237-1273 (2014).
- Grünberger, A., Wiechert, W., Kohlheyer, D. Single-cell microfluidics: opportunity for bioprocess development. Current Opinion in Biotechnology. 29, 15-23 (2014).
- Lin, H., Mei, N., Manjanatha, M. G. In vitro comet assay for testing genotoxicity of chemicals. Optimization in Drug Discovery. , 517-536 (2014).
- Bai, H., et al. Efficient water collection on integrative bioinspired surfaces with star-shaped wettability patterns. Advanced Materials. 26 (29), 5025-5030 (2014).
- Zhao, J., Chen, S. Following or against topographic wettability gradient: movements of droplets on a micropatterned surface. Langmuir. 33 (21), 5328-5335 (2017).
- Theberge, A. B., et al. Microfluidic platform for combinatorial synthesis in picolitre droplets. Lab on a Chip. 12 (7), 1320-1326 (2012).
- Zhang, L., et al. Fabrication of ceramic microspheres by diffusion-induced sol-gel reaction in double emulsions. ACS Applied Materials & Interfaces. 5 (22), 11489-11493 (2013).
- Moerman, R., et al. Quantitative analysis in nanoliter wells by prefilling of wells using electrospray deposition followed by sample introduction with a coverslip method. Analytical Chemistry. 77 (1), 225-231 (2005).
- Zhou, X., Lau, L., Lam, W. W. L., Au, S. W. N., Zheng, B. Nanoliter dispensing method by degassed poly (dimethylsiloxane) microchannels and its application in protein crystallization. Analytical Chemistry. 79 (13), 4924-4930 (2007).
