Eine vielseitige automatisierte Plattform für Mikro-Skala Handy Stimulation Experimente
Summary
Wir haben eine automatisierte Zellkultur und Verhör Plattform für Mikro-Skala-Zell-Stimulation Experimente entwickelt. Die Plattform bietet eine einfache, vielseitige und präzise Kontrolle in den Anbau und die Förderung kleiner Populationen von Zellen und Gewinnen Lysate für molekulare Analysen. Die Plattform wird auch auf Studien, die kostbaren Zellen und / oder Reagenzien geeignet.
Abstract
Studium der Zellen in Kultur (in vitro-Analyse) hat wichtige Einblicke in komplexe biologische Systeme zur Verfügung gestellt. Herkömmliche Verfahren und Anlagen für die in vitro-Analyse sind gut geeignet, um einer großen Anzahl von Zellen (≥ 10 5) in Milliliter-Skala Volumina (≥ 0,1 ml) zu untersuchen. Es gibt jedoch viele Fälle, in denen es notwendig oder wünschenswert sein, Kultur Größe verkleinern, um den Verbrauch der Zellen von Interesse und / oder Reagenzien für die Kultur, Stimulation oder der Verarbeitung zu reduzieren. Leider haben konventionelle Ansätze nicht unterstützt präzise und reproduzierbare Manipulation von Mikro-Maßstab Kulturen, und die Mikrofluidik-basierte automatisierte Systeme, die derzeit verfügbar sind zu komplex und spezialisiert für den routinemäßigen Einsatz von den meisten Labors. In Mikro-Maßstab Volumen – Um dieses Problem anzugehen, haben wir eine einfache und vielseitige Technologie-Plattform für die automatisierte Kultur, Anregung und Wiederherstellung von kleinen Populationen von Zellen (2000 Zellen 100) entwickelts (1 – 20 ul). Die Plattform besteht aus einer Reihe von fibronektinbeschichtete Mikrokapillaren ("cell Perfusionskammern"), in dem Mikro-Maßstab Kulturen etabliert, werden beibehalten und angeregt, eine digitale Mikrofluidik (DMF)-Gerät mit "Transfer" Mikrokapillaren ("zentrale Drehscheibe ausgestattet "), die Strecken Zellen und Reagenzien zu und von den Perfusionskammern; eine hochpräzise Spritzenpumpe, die Befugnisse Transport von Materialien zwischen den Perfusionskammern und der zentralen Nabe und eine elektronische Schnittstelle, die Kontrolle über den Transport von Materialien bietet, das ist koordiniert und automatisiert via vorgegebenen Skripten. Als Beispiel haben wir die Plattform zur Untersuchung der transkriptionellen Reaktionen hervorgerufen in Immunzellen auf Herausforderung mit Bakterien zu erleichtern. Die Nutzung der Plattform konnten wir den Verbrauch von Zellen und Reagenzien zu reduzieren, minimieren Experiment zu Experiment Variabilität und re-direct hands-on Arbeit. Angesichts der Vorteile, die es verleiht, sowie die Erreichbarkeit und die Vielseitigkeit, our Plattform sollte den Einsatz in einer Vielzahl von Laboren und Anwendungen zu finden, und als besonders nützlich erweisen bei der Erleichterung der Analyse von Zellen und Stimuli, die in nur begrenzten Mengen sind.
Introduction
Das Studium der Zellen in Kultur gehalten (in vitro-Analyse) hat einen wertvollen Einblick in die grundlegenden Prinzipien und molekularen Mechanismen, die komplexen biologischen Systemen und der menschlichen Gesundheit zur Verfügung gestellt. Die herkömmlichen Methoden für die Kultur, Anregung und Sammlung von Zellen für die Analyse, die Petrischalen und Mikrotiterplatten nutzen, wurden für die Studie von großen Populationen von Zellen (≥ 10 5) in Milliliter-Maßstab Kulturvolumina (≥ 0,1 ml) ausgelegt. Es gibt jedoch viele Fälle, in denen nur geringe Mengen von Zellen zur Verfügung stehen (z. B. primäre Zellen) oder kleine Zellpopulationen sind wünschenswert (zB Zell-zu-Zell-Variabilität in der Bevölkerung zu verringern), oder erforderlichen Reagenzien sind schwierig zu erhalten oder unerschwinglich teuer (zB gereinigte Zellen sezernierten Faktoren). Solche Probleme erfolgreich durch Verkleinerung Kultur Größe angesprochen werden, hat das den zusätzlichen Vorteil der Reduzierung des Verbrauchs allerReagenzien für die in-vitro-Analyse 1,2 erforderlich. Leider herkömmliche Geräte und Methoden unterstützen nicht präzise und reproduzierbare Manipulation von Mikro-Maßstab Kulturen und Mikrofluidik-basierte automatisierte Systeme, die derzeit zur Verfügung 3-11 sind zu komplex und spezialisiert für den routinemäßigen Einsatz von den meisten Labors.
In diesem Bericht beschreiben wir die Montage und Verwendung eines einfachen und vielseitigen Technologie-Plattform für die automatisierte Kultur, Anregung und Wiederherstellung von kleinen Populationen von Zellen (100 – 2.000 Zellen) in Mikro-Maßstab Bände (1 – 20 ul). Die Plattform-Architektur (Abbildung 1) ist modular aufgebaut: eine Reihe von fibronektinbeschichtete Mikrokapillaren ("cell Perfusionskammern" Modul) dient als Standort für die Errichtung, Wartung und Stimulation von Mikro-Maßstab Kulturen, und ein digitaler Mikrofluidik (DMF ) 12,13 Gerät mit "Transfer" Mikrokapillaren ("zentrale Drehscheibe" Modul) 14,15 Routen Zellen ausgestattetund Reagenzien zu und von den Perfusionskammern. DMF ermöglicht dem Anwender individuell ansprechen mehrere Tröpfchen gleichzeitig und zu ändern oder neu zu ordnen die Manipulationen (dh neu Probenaufbereitung Züge), ohne dass die Geräte-Hardware. Seine enorme Flexibilität in seiner jüngsten Entstehung als Schlüsseltechnologie in einer breiten Palette von Anwendungen, einschließlich der Zellkultur 16,17, Enzymassays 18,19, 20,21 Immunoassays, DNA-Analyse 22,23, Eiweiß Verarbeitung, 24,25 evident und klinischen Probe Verarbeitung. 26,27 Unsere zentrale Drehscheibe nutzt die inhärente Flexibilität DMF Geräte und weiter verbessert sie durch die Zugabe von mikrokapillaren Schnittstellen, die Möglichkeit zur Durchführung einer Teilmenge von Manipulationen (zB Zellkultur) in spezialisierten peripheren bietet Module, und nicht auf der DMF Gerät. Kompartimentierung der Verarbeitung Züge auf diese Weise vereinfacht auch Design der plaTForm Architektur (keine Notwendigkeit, ein Gerät, das DMF durchführen können alle Bearbeitungsschritte zu bauen) und erleichtert seine Entwicklung als neue Funktionen erforderlich sind (einfach Integration neuer Peripherie-Module je nach Bedarf). Transport von Zellen und Reagenzien innerhalb der zentralen Nabe wird durch Elektrobenetzung Kräfte durch sequentielle Aktivierung der Elektroden innerhalb des DMF Gerät erzeugt 13,28 angetrieben, Verkehr nach, von und innerhalb der Perfusionskammern wird von Druckänderungen, die durch eine hochpräzise Spritze erzeugten Strom versorgt Pumpe. Alle diese Bewegungen Fluid über eine einfache elektronische Schnittstelle gesteuert und automatisiert durch Verwendung von vorbestimmten Script.
Als repräsentatives Beispiel zeigen wir die Verwendung der Plattform für die Untersuchung der Transkriptionsaktivität hervorgerufenen Reaktionen in Immunzellen auf Provokation mit Bakterien (Abbildung 2). Die Durchführung dieser Experimente auf der Plattform konnten wir mit einer kleinen Anzahl von Zellen (~ 1.000 pro experimentell arbeitental Bedingung), zu minimieren Experiment zu Experiment Variabilität, konservieren Reagenzien und re-direct hands-on Arbeit. Angesichts der Vorteile, die es überträgt, sowie die Erreichbarkeit und die Vielseitigkeit, sollte diese Plattform in einer Vielzahl von Laboratorien und Anwendungen finden und doch besonders nützlich erleichtert Analyse von Zellen und Impulse, die in nur geringe Mengen sind.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir haben eine einfache und vielseitige automatisierte Plattform für die Mikro-Maßstab Zellkultur und Stimulation Experimente entwickelt. Die Plattform ermöglicht es uns, mit kleinen Mengen und Kultur Zellpopulationen (1 – 20 ul und 100 – 2.000 Zellen pro Kammer) arbeiten; Kultur Größen weiter durch Verwendung von Mikrokapillaren von kleineren Durchmesser reduziert werden konnte. Arbeiten bei diesen Skalen reduziert die Kosten für Routine-Untersuchungen und Studien, die machbar macht Gebrauch von wertvoll…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Ronald F. Renzi und Michael S. Bartsch für ihre Beiträge zur Gestaltung und Entwicklung von DMF-Geräten und dem DMF-Hub. Diese Forschung wurde vollständig durch das Laboratory Directed Forschungs-und Entwicklungsprogramm bei Sandia National Laboratories unterstützt. Sandia ist ein Multi-Programm-Labor verwaltet und von Sandia Corporation, eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Lockheed Martin Corporation, betrieben für das US Department of National Nuclear Energy Security Administration unter Vertrag DE-AC04-94AL85000.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Prelude Direct Lysis Module | NuGEN | 1400-24 | |
| Trypan Blue (0.4% w/v) | GIBCO | 15250-061 | |
| Cell Stripper | Cellgro | 25-056-C1 | |
| Ovation PicoSL WTA | NuGEN | 3310-048 | |
| Agencourt RNAClean XP | Beckman Coulter Genomics | A63987 | |
| pHrodo BioParticles | Invitrogen | P35361 | |
| CCL4 TaqMan qRT-PCR assay | Applied Biosystems | Mm00443111_m1 | |
| CCL5 TaqMan qRT-PCR assay | Applied Biosystems | Mm01302428_m1 | |
| PTGS2 TaqMan qRT-PCR assay | Applied Biosystems | Mm00478374_m1 | |
| TNF TaqMan qRT-PCR assay | Applied Biosystems | Mm00443258_m1 | |
| GAPDH TaqMan qRT-PCR assay | Applied Biosystems | Mm99999915_g1 | |
| Pluronic F127 | Sigma Chemical | 2594628 | |
| Fluorinert FC-40 | Sigma Chemical | 51142-49-5 | |
| Parylene C dimer | Specialty Coating Systems | 28804-46-8 | |
| Teflon-AF | DuPont | AF1600 | |
| Polyimide tape | ULINE | S-11928 | |
| Indium tin oxide (ITO) coated glass substrates | Delta Technologies | CB-40IN-1107 | |
| DMF hub Teflon-coated fused-silica microcapillaries | Polymicro Technologies | TSU100375 | |
| Perfusion chamber microcapillaries | Polymicro Technologies | TSP530700 | |
| Tubing and microcapillary fittings | Sandia National Laboratories | ||
| Polycarbonate tubing | Paradigm Optics | CTPC100-500-5 | |
| 8-port precision syringe pump equipped with 30 mm (500 μl capacity) syringes | Hamilton Company | 54848-01 | |
| Parylene-C vapor deposition instrument | Specialty Coating Systems | PDS 2010 Labcoter 2 | |
| High-voltage function generator | Trek | 615A-1 615-3 | |
| MVX10 microscope | Olympus | Optional (facilitates tracking of droplets on DMF hub) | |
| QIClick digital CCD camera | QImaging | QIClick-F-CLR-12 | Optional (facilitates tracking of droplets on DMF hub) |
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