Ein All-on-Chip-Verfahren zur schnellen Neutrophilen-Chemotaxis-Analyse direkt aus einem Blutstropfen
Summary
Dieser Artikel liefert die detaillierte Methode zur Durchführung eines schnellen Neutrophilen-Chemotaxis-Assays durch Integration der On-Chip-Neutrophilen-Isolation aus Vollblut und dem Chemotaxis-Test auf einem einzigen mikrofluidischen Chip.
Abstract
Neutrophile Migration und Chemotaxis sind entscheidend für das Immunsystem unseres Körpers. Mikrofluidische Geräte werden zunehmend zur Untersuchung von Neutrophilenmigration und Chemotaxis aufgrund ihrer Vorteile in der Echtzeit-Visualisierung, der präzisen Kontrolle der chemischen Konzentrationsgradientenerzeugung und des reduzierten Reagenz- und Probenverbrauchs eingesetzt. In jüngster Zeit wurde von den mikrofluidischen Forschern zunehmend Anstrengungen unternommen, integrierte und leicht bedienbare mikrofluidische Chemotaxis-Analysesysteme direkt aus Vollblut zu entwickeln. In dieser Richtung wurde das erste All-on-Chip-Verfahren zur Integration der magnetischen Negativreinigung von Neutrophilen und des Chemotaxis-Assays aus kleinen Blutvolumenproben entwickelt. Diese neue Methode erlaubt einen schnellen Stichproben-Neutrophilen-Chemotaxis-Test in 25 min. In diesem Papier bieten wir detaillierte Bau-, Betriebs- und Datenanalyseverfahren für diesen All-on-Chip-Chemotaxis-Assay mit einer Diskussion über Strategieschutzstrategien, LimiUnd zukünftige Richtungen. Repräsentative Ergebnisse des Neutrophilen-Chemotaxis-Assays, die ein definiertes Chemoattraktant, N- Formyl-Met-Leu-Phe (fMLP) und Sputum von einem chronisch obstruktiven Lungenkrankheit (COPD) -Patienten unter Verwendung dieses All-on-Chip-Verfahrens untersuchen, werden gezeigt. Diese Methode gilt für viele zellmigrationsbezogene Untersuchungen und klinische Anwendungen.
Introduction
Chemotaxis, ein Prozess der gerichteten Zellmigration zu löslichem chemischen Konzentrationsgradienten, ist kritisch in viele biologische Prozesse involviert, einschließlich Immunantwort 1 , 2 , 3 , Gewebeentwicklung 4 und Krebsmetastase 5 . Neutrophile sind die häufigsten weißen Blutzellen-Untergruppe und spielen entscheidende Rollen in der Ermöglichung der körpereigenen Gastgeber Verteidigung Funktionen, sowie bei der Vermittlung der adaptiven Immunantwort 6 , 7 . Neutrophile sind mit hochregulierten chemotaktischen Maschinen ausgestattet, die es ermöglichen, dass diese beweglichen Immunzellen sowohl auf Pathogen-abgeleitete Chemoattraktanten ( zB fMLP) als auch auf Wirts-abgeleitete Chemoattraktanten ( zB Interleukin-8) durch die Chemotherapie 8 reagieren. Neutrophile Migration und Chemotaxis vermitteln verschiedene physiologische ProblemeUnd Krankheiten wie Entzündungen und Krebs 1 , 9 . So liefert die genaue Beurteilung der neutrophilen Chemotaxis eine wichtige funktionelle Auslesung für das Studium der Neutrophilenbiologie und der damit verbundenen Erkrankungen.
Im Vergleich zu den weit verbreiteten konventionellen Chemotaxis-Assays ( zB Transwell-Assay 10 ) zeigen die mikrofluidischen Geräte ein großes Versprechen für die quantitative Auswertung von Zellmigration und Chemotaxis aufgrund der präzise kontrollierten chemischen Gradientenbildung und Miniaturisierung 11 , 12 , 13 . In den letzten zwei Jahrzehnten wurden verschiedene mikrofluidische Geräte entwickelt, um die Chemotaxis verschiedener biologischer Zelltypen, insbesondere der Neutrophilen, zu untersuchen. Es wurde erhebliche Anstrengungen zur Charakterisierung der Neutrophilen-Migration in räumlich-zeitlich komplexem Che gegeben Mischen Gradienten, die in den mikrofluidischen Vorrichtungen 14 , 15 konfiguriert wurden. Interessante Strategien wurden auch entwickelt, um eine direktionale Entscheidungsfindung durch Neutrophile unter Verwendung der mikrofluidischen Vorrichtungen zu untersuchen. An der biologisch orientierten Forschung wurden die Anwendungen von mikrofluidischen Vorrichtungen erweitert, um klinische Proben für die Krankheitsauswertung 17 , 18 , 19 zu testen. Allerdings ist die Verwendung von vielen mikrofluidischen Geräten auf spezialisierte Forschungslaboratorien beschränkt und erfordert eine lange neutrophile Isolierung aus großen Mengen an Blutproben. Daher hat es einen wachsenden Trend der Entwicklung integrierter mikrofluidischer Vorrichtungen zur schnellen Neutrophilen-Chemotaxis-Analyse direkt aus einem Tropfen Vollblut 20 , 21 , 22 ,Ef "> 23 , 24 .
In dieser Richtung wurde ein All-on-Chip-Verfahren entwickelt, das die magnetische Negativ-Neutrophilen-Reinigung und den darauffolgenden Chemotaxis-Assay auf einer einzigen mikrofluidischen Vorrichtung 25 integriert . Diese All-on-Chip-Methode hat die folgenden neuartigen Merkmale: 1) Im Gegensatz zu früheren On-Chip-Strategien, die Neutrophile aus dem Blut durch adhäsionsbasierte Zellaufnahme oder zellgrßenbasierte Filterung 20 , 22 isolieren, erlaubt diese neue Methode hohe Reinheit, On-Chip-Magnettrennung der Neutrophilen aus kleinen Volumina von Vollblut sowie Chemotaxis-Messung bei chemoattraktiver Stimulation; 2) Die Zell-Docking-Struktur hilft, die Anfangspositionen der Neutrophilen in der Nähe des chemischen Gradientenkanals auszurichten und ermöglicht eine einfache Chemotaxisanalyse ohne Einzelzellverfolgung; 3) die Integration der Neutrophilen-Isolation und des ChemotsAchsen-Assay auf einer einzigen mikrofluidischen Vorrichtung ermöglicht eine schnelle Proben-zu-Ergebnis-Chemotaxis-Analyse in 25 min, wenn es keine Unterbrechung zwischen experimentellen Schritten gibt.
Dieses Papier bietet ein detailliertes Protokoll für die Konstruktion, Betrieb und Datenanalyse Methode dieser All-on-Chip-Chemotaxis-Assay. Das Papier zeigt die effektive Verwendung des entwickelten Verfahrens zur Durchführung von Neutrophilen-Chemotaxis durch Testen eines bekannten rekombinanten Chemoattraktans und komplexer chemotaktischer Proben von Patienten, gefolgt von einer Diskussion über Strategien zur Fehlerbehebung, Einschränkungen und zukünftigen Richtungen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Papier wurde ein detailliertes Protokoll zur direkten Isolierung von Neutrophilen aus Vollblut, gefolgt von dem Chemotaxis-Test, alle auf einem einzigen mikrofluidischen Chip beschrieben. Diese Methode bietet nützliche Merkmale in ihrer einfachen Bedienung, der negativen Auswahl von hochreinen Neutrophilen, dem schnellen Proben-zu-Ergebnis-Chemotaxistest, den reduzierten Reagenzien und dem Probenverbrauch und der genauen Analyse der Zellmigrationsdaten. Als grobe Schätzung traten mindestens 25% der Neutrophi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wird teilweise durch Stipendien des Naturwissenschaften und Ingenieurforschungsrates von Kanada (NSERC) und der kanadischen Institute of Health Research (CIHR) unterstützt. Wir danken dem Klinischen Institut für Angewandte Forschung und Ausbildung am Victoria General Hospital in Winnipeg und Seven Oaks General Hospital in Winnipeg für die Verwaltung von klinischen Proben von menschlichen Themen. Wir danken Dr. Hagit Peretz-Soroka für eine hilfreiche Diskussion über die Assay-Operationsstrategien. Wir danken Professor Carolyn Ren und Dr. Xiaoming (Cody) Chen von der University of Waterloo für ihre großzügige Unterstützung im Drehprozess.
Materials
| Device fabrication | |||
| Mask aligner | ABM | N/A | |
| Spinner | Solitec | 5000 | |
| Hotplate | VWR | 11301-022 | |
| Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-001 | |
| Vacuum dessicator | Fisher Scientific | 08-594-15A | |
| Digital scale | Ohaus | CS200 | |
| SU-8 2000 thinner | Microchem | SU-8 2000 | |
| SU-8 2025 photoresist | Microchem | SU-8 2025 | |
| SU-8 developer | Microchem | SU-8 developer | |
| Si wafer | Silicon, Inc | LG2065 | |
| isopropyl alcohol | Fisher Scientific | A416-4 | |
| (tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl) trichlorosilane | Gelest | 78560-45-9 | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) |
Ellsworth Adhesives | 2065622 | |
| Petri Dish | Fisher Scientific | FB0875714 | |
| Glass slides | Fisher Scientific | 12-544-4 | |
| Cutting pad | N/A | N/A | Custom-made |
| Punchers | N/A | N/A | Custom-made |
| Name | Source | Catalog Number | Comments |
| On-chip cell isolation and chemotaxis assay | |||
| RPMI 1640 | Fisher Scientific | SH3025502 | |
| DPBS | Fisher Scientific | SH3002802 | |
| Bovine serum albumin (BSA) |
Sigma-Aldrich | SH3057402 | |
| Fibronectin | VWR | CACB356008 | |
| fMLP | Sigma-Aldrich | F3506-10MG | |
| Magnetic disks | Indigo Instruments | 44202-1 | 5 mm in diameter, 1 mm thick |
| FITC-Dextran | Sigma-Aldrich | FD10S | |
| Rhodamine | Sigma-Aldrich |
R4127-5G | |
| Giemsa stain solution | Rowley Biochemical Inc. | G-472-1-8OZ | |
| EasySep Direct Human Neutrophil Isolation Kit |
STEMCELL Technologies Inc |
19666 | |
| Dithiothreitol | Sigma-Aldrich | D0632 | |
| Nikon Ti-U inverted fluorescent microscope | Nikon | Ti-U | |
| Microscope environmental chamber. | InVivo Scientific | N/A | |
| CCD camera | Nikon | DS-Fi1 |
References
- Kolaczkowska, E., Kubes, P. Neutrophil recruitment and function in health and inflammation. Nat Rev Immunol. 13 (13), 159-175 (2013).
- Luster, A. D., Alon, R., von Andrian, U. H. Immune cell migration in inflammation: present and future therapeutic targets. Nat Immunol. 6 (12), 1182-1190 (2005).
- Griffith, J. W., Luster, A. D. Targeting cells in motion: migrating toward improved therapies. Eur. J. Immunol. 43 (6), 1430-1435 (2013).
- Laird, D. J., von Andrian, U. H., Wagers, A. J. Stem cell trafficking in tissue development, growth, and disease. Cell. 132 (4), 612-630 (2008).
- Condeelis, J., Segall, J. E. Intravital imaging of cell movement in tumours. Nat Rev Cancer. 3 (12), 921-930 (2003).
- Kruger, P., et al. Neutrophils: between host defence, immune modulation, and tissue injury. PLoS Pathog. 11 (3), e1004651 (2015).
- Mócsai, A. Diverse novel functions of neutrophils in immunity, inflammation, and beyond. J Exp Med. 210 (7), 1283-1299 (2013).
- Foxman, E. F., Campbell, J. J., Butcher, E. C. Multistep navigation and the combinatorial control of leukocyte chemotaxis. J Cell Biol. 139 (7), 1349-1360 (1997).
- Tazzyman, S., Niaz, H., Murdoch, C. Neutrophil-mediated tumour angiogenesis: subversion of immune responses to promote tumour growth. Semin Cancer Biol. 23 (3), 149-158 (2013).
- Boyden, S. The chemotactic effect of mixtures of antibody and antigen on polymorphonuclear leucocytes. J Exp Med. 115 (3), 453-466 (1962).
- Wu, J., Wu, X., Lin, F. Recent developments in microfluidics-based chemotaxis studies. Lab Chip. 13 (13), 2484-2499 (2013).
- Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
- Kim, S., Kim, H. J., Jeon, N. L. Biological applications of microfluidic gradient devices. Integr Biol. 2 (11-12), 584-603 (2010).
- Irimia, D., et al. Microfluidic system for measuring neutrophil migratory responses to fast switches of chemical gradients. Lab Chip. 6 (2), 191-198 (2006).
- Lin, F., et al. Neutrophil migration in opposing chemoattractant gradients using microfluidic chemotaxis devices. Ann Biomed Eng. 33 (4), 475-482 (2005).
- Ambravaneswaran, V., Wong, I. Y., Aranyosi, A. J., Toner, M., Irimia, D. Directional decisions during neutrophil chemotaxis inside bifurcating channels. Integr Biol. 2 (11-12), 639-647 (2010).
- Jones, C. N., et al. Spontaneous neutrophil migration patterns during sepsis after major burns. PloS One. 9 (12), e114509 (2014).
- Butler, K. L., et al. Burn injury reduces neutrophil directional migration speed in microfluidic devices. PloS One. 5 (7), e11921 (2010).
- Wu, J., et al. A microfluidic platform for evaluating neutrophil chemotaxis induced by sputum from COPD patients. PloS One. 10 (5), e0126523 (2015).
- Sackmann, E. K., et al. Microfluidic kit-on-a-lid: a versatile platform for neutrophil chemotaxis assays. Blood. 120 (14), e45-e53 (2012).
- Agrawal, N., Toner, M., Irimia, D. Neutrophil migration assay from a drop of blood. Lab Chip. 8 (12), 2054-2061 (2008).
- Jones, C. N., et al. Microfluidic platform for measuring neutrophil chemotaxis from unprocessed human whole blood. J Vis Exp. (88), (2014).
- Jones, C. N., et al. Microfluidic assay for precise measurements of mouse, rat, and human neutrophil chemotaxis in whole-blood droplets. J Leukocyte Biol. 100 (1), 241-247 (2016).
- Sackmann, E. K. -. H., et al. Characterizing asthma from a drop of blood using neutrophil chemotaxis. P Natl Acad Sci. 111 (16), 5813-5818 (2014).
- Wu, J., et al. An all-on-chip method for testing neutrophil chemotaxis induced by fMLP and COPD patient’s sputum. Technology. 04 (02), 104-109 (2016).
