Eine vielseitige Methode von Patterning Proteinen und Zellen

Summary

This report describes a simple, easy to perform technique, using low pressure vacuum, to fill microfluidic channels with cells and substrates for biological research.

Abstract

Substrate and cell patterning techniques are widely used in cell biology to study cell-to-cell and cell-to-substrate interactions. Conventional patterning techniques work well only with simple shapes, small areas and selected bio-materials. This article describes a method to distribute cell suspensions as well as substrate solutions into complex, long, closed (dead-end) polydimethylsiloxane (PDMS) microchannels using negative pressure. This method enables researchers to pattern multiple substrates including fibronectin, collagen, antibodies (Sal-1), poly-D-lysine (PDL), and laminin. Patterning of substrates allows one to indirectly pattern a variety of cells. We have tested C2C12 myoblasts, the PC12 neuronal cell line, embryonic rat cortical neurons, and amphibian retinal neurons. In addition, we demonstrate that this technique can directly pattern fibroblasts in microfluidic channels via brief application of a low vacuum on cell suspensions. The low vacuum does not significantly decrease cell viability as shown by cell viability assays. Modifications are discussed for application of the method to different cell and substrate types. This technique allows researchers to pattern cells and proteins in specific patterns without the need for exotic materials or equipment and can be done in any laboratory with a vacuum.

Introduction

In Tissue Engineering und der Biosensorik, die Fähigkeit , die räumliche Organisation von Proteinen und Zellen auf einer Skala um zu kontrollieren, hat sich in den letzten vier Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung ^{1, 2, 3.} Genaue räumliche Organisation von Proteinen und Zellen hat Forscher erlaubt die Wechselwirkung zwischen Zellen und Substrate mit ähnlichen oder verschiedenen Arten von Zellen zu untersuchen, das Zellwachstum zu führen, und Biomolekülen zur Herstellung von Biosensoren , ^{4, 5, 6, 7, 8,} zu immobilisieren ^9.

Aktuelle Methoden der Muster Proteine ​​schließen Photopatterning und Mikrokontaktdruck. Photopatterning nutzt lichtempfindliche Material, das bei Bestrahlung mit ultr vernetzteine violette (UV) Licht. UV – Licht bei einer Photomaske ( die aus transparenten Bereichen mit dunkleren Bereichen UV Lichtdurchlässigkeit zu verhindern) gerichtet verursacht in bestimmten Regionen Vernetzungs die dann ¹⁰ für die nachfolgende Befestigung von Biomaterialien oder Zellen verwendet werden ^{können, 11.} Während dieses System sehr genau ist und ermöglicht eine präzise Steuerung der Topographie der Kulturoberfläche, ist es gegenüber UV-empfindlichen Biomolekülen begrenzt , die durch UV – Strahlung ¹² gemustert werden kann. Mikrokontakt- Drucken ist eine weitere beliebte Methode zur Strukturierung spezifischer Proteine ^{13, 14.} In diesem Verfahren wird ein poly-dimethylsiloxan (PDMS) Tempel ist mit einer Vielzahl von Oberflächenmodifikationsreagenzien behandelt, bevor sie in einer Lösung des gewählten biomolekularen Substrat getränkt wird. Es wird dann auf einem Deckglas oder einer anderen Oberfläche so "Stanzen" des Biomoleküls auf die Kulturoberfläche schonend gepresst. However wird Prägen auf die Art des Materials begrenzt , die ebenso wie die Benetzbarkeit von Biomolekülen an der Oberfläche übertragen werden kann , die von PDMS ¹⁵ stempeln.

Direkte Strukturierung von Zellen kann schwieriger sein , und stützt sich auf komplexe Verfahren wie schaltbare Substrate, stencil basierte Verfahren oder Strukturieren mit spezifischen Zelladhäsionsmoleküle ^{16, 17.} Diese Verfahren sind begrenzt in ihrer Fähigkeit zur Musterzellen aufgrund des Fehlens von kompatiblen Zelladhäsion Substraten Inkompatibilität des Verfahrens mit empfindlichen biologischen Zellen und Randbedingungen zu arbeiten, Inkonsistenz in der Strukturierungs Wiedergabe- und Komplexität des Verfahrens. Beispielsweise bei schaltbaren Substrate, müssen individuelle Substrate für jeden Zelltyp gestaltet werden, deren Einhaltung bestimmter Zelltypen ohne Abbau bei Einwirkung von UV – Licht und Wärme in Prozess ¹⁷ verwendet , um ^Schalter, < sup class = "xref"> ^{18, 19, 20.} Stencil Basis Strukturierungsverfahren sind vielseitig in ihrer Fähigkeit zur Musterzellen; jedoch ist es schwierig , PDMS Schablonen an den entsprechenden Dicken ^{16, 21} Verwendung herzustellen. Direkte Injektion von Zellen in PDMS mikrofluidischen Kanälen haben einige Vorteile wie: 1) erleichtern bei der Herstellung von mikrofluidischen Kanälen und 2) Eignung für viele verschiedene Zellen und Substraten. Das vorherrschende Problem der Luftblasenerfassung während des Injektionsvorgangs aufgrund der Hydrophobizität von PDMS ohne die Verwendung von Plasma – Reinigung oder andere Verfahren jedoch Luftblasen zu verringern, macht es schwierig , Oberflächen ²¹ konsequent gemusterten Zellen auf Glas- oder Kunststoff erstellen.

Diese Arbeit baut auf Kapillar – Mikroform ^{22, 23,}lass = "Xref"> ^{24, 25, 26} und berichtet ein Verfahren Protein- und Zellsuspensionen in Mikrokanäle einzuspritzen. Das hier verwendete Verfahren zeigt die Strukturierung von Substraten und sowohl direkte als auch indirekte Strukturierung von spezifischen Zelltypen. Diese Technik überwindet die hohe Hydrophobizität von PDMS und eliminiert das Vorhandensein von Blasen während der Injektion von entweder Substrate oder Zellen durch Ausnutzung der Gasdurchlässigkeit von PDMS ²⁷ nehmen. Dieses Papier zeigt die Verwendung der Technik mit verschiedenen Substraten und Zelltypen. Der Artikel zeigt auch die Herstellung von Formen für Weich – Lithographie herkömmliche Photolithographie sowie eine einfache und kostengünstige Klebeband Verfahren nützlich in ressourcenbeschränkten Einstellungen ^{28, 29} verwendet wird .

Protocol

HINWEIS: Bitte wenden Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (MSDS) vor dem Gebrauch. Einige der Chemikalien in diesem Protokoll verwendet werden, sind giftig und krebserregend. Bitte verwenden Sie alle geeigneten Sicherheitspraktiken (Dunstabzug, Glovebox) und persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel, in voller Länge Hosen, geschlossene Schuhe), wenn giftige oder Säure / Base-Materialien. 1. Herstellung von Urformen für Soft Lithography mit Lithografie <ol…

Representative Results

Dieses Verfahren erlaubt die Strukturierung von Proteinen und indirekte Strukturierung von Zellen Sackgassen mikrofluidischen Kanäle mit Abmessungen so klein wie 10 & mgr; m und Anlagen in fast allen biologischen Laboratorien verwendet, sobald der Masterform hergestellt. Diese Technik kann mit PDMS mikrofluidischen Kanälen verwendet werden , unter Verwendung von herkömmlichen Weich photolithographischen erstellt oder mit PDMS mikrofluidischen Kanälen mit Klebeband Herstellungs er…

Discussion

Während herkömmliche Photolithographie eine gut etablierte Technik für die Herstellung von Formen für Weich-Lithographie ist, die Ausrüstung, Materialien und Fähigkeiten erforderlich sind herkömmliche Photolithographie zu verwenden, nicht ohne weiteres auf den meisten Labors zur Verfügung. Für Laboratorien, ohne Zugang zu diesen Ressourcen haben wir Klebebandherstellung als Methode der dargestellten Formen mit relativ einfachen Funktionen für mikrofluidische Vorrichtungen zu schaffen. Diese Methode ermöglicht…

Materials

CorelDRAW X4 CAD Drawing Tools	Corel Corporation, Canada	X4 Version 14.0.0.701	CAD tool used to draw the layout of the microfluidic device
Laser Printer HP	Hewlett Packard, CA	1739629	Used to print the layout of microfluidic device for adhesive tape technique
Bel-Art Dessicator	Fisher Scientific, MA	08-594-16B	Used to degass the PDMS mixture
Adhesive Scotch Tape	3M Product, MN	Tape 600	Used to fabricate adhesive tape Master
PDMS Sylgard 184	Dow Corning, MI	1064291	Casting polymer
Petri Dish	Fisher Scientific, MA	08-772-23	Used to keep the mold to cast with PDMS
Stainless steel Scalpel (#3) with blade (# 11)	Feather Safety Razor Co. Ltd. Japan	2976#11	Used to cut the PDMS
Tweezers	Ted Pella, CA	5627-07	Used to handle the PDMS cast during peeling
Glass slides	Fisher Scientific, MA	12-546-2	Used as surface to pattern the Substrate
Glass slides	Fisher Scientific, MA	12-544-4	Used as surface to pattern the Substrate
Rubber Roller	Dick Blick Art Materials, IL	40104-1004	Used to attach adhesive tape on glass without trapping air bubbles
Laser Mask Writer	Heidelberg Instruments, Germany	DWL66fs	Used to fabricate quartz mask used in photolithography fabrication process
EVG Mask Aligner (Photolithography UV exposure tool)	EV Group, Germany	EVG 620T(B)	Used to expose the photoresist to UV light
Spin Coater Headway	Headway Research Inc, TX	PWM32-PS-CB15PL	Used to spin coat the photoresist on silicon wafer
Photoresists SU-8 50	MicroChem, MA	Y131269	Negative photoresist used for mold fabrication
SU-8 Devloper	MicroChem, MA	Y020100	Photoresist developer
Tridecafluoro-1,1,2,2-Tetrahydrooctyl-1-Trichlorosilane	UCT Specialties, PA	T2492-KG	Coat mold to avoid PDMS adhesion
Isopropanol	Sigma-Aldrich, MO	190764	Cleaning Solvent
Ethanol	Sigma-Aldrich, MO	24102	Sterilization Solvent
Poly-D-Lysine hydrobromide (PDL)	Sigma-Aldrich, MO	P0899-10MG	PDL solution is made at 0.1 mg/mL in Sodium Tetraborate Buffer
Laminin	Sigma-Aldrich, MO	L2020	Laminin aliquoted into 10 µL aliquots and diluted to 20 µg/µL in PBS prior to use
BSA	Fisher Scientific, MA	BP1605100	Cell culture
C2C12 Myoblast cell lline	ATCC, VA	CRL-1722	Used to demonstrate C2C12 patterning
PC12 Cell Line	ATCC, VA	CRL-1721	Used to demonstrate PC12 patterning
Collagen type 1, rat tail	BD Biosciences	40236	Cell culture
DMEM	GIBCO, MA	11965-084	Cell culture
Horse Serum, heat inactivated	Fisher Scientific, MA	26050-070	Cell culture
Phalloidin-tetramethylrhodamine B isothiocyanate (TRITC)	Sigma-Aldrich, MO	P1951	To label cells
Calcein-AM live dead cell Assay kit	Invitrogen, MA	L-3224	Cell viability Assay
Biopsy Hole Punch	Ted Pella, CA	15110-10	Punched hole in PDMS