Summary

Elektrisk-felt-induceret neurale prækursor celle differentiering i mikrofluidiske enheder

Published: April 14, 2021
doi:

Summary

I denne undersøgelse præsenterer vi en protokol for differentiering af neurale stamceller og stamceller (NPC’ere), der udelukkende er fremkaldt af jævnstrøms (DC) pulsstimulation i et mikrofluidisk system.

Abstract

Fysiologiske elektriske felter (EF) spiller afgørende roller i cellemigration, differentiering, division og død. Dette papir beskriver et mikrofluidisk cellekultursystem, der blev brugt til en langsigtet celledifferentieringsundersøgelse ved hjælp af mikroskopi. Det mikrofluidiske system består af følgende hovedkomponenter: en optisk gennemsigtig elektrotaktisk chip, en gennemsigtig indium-tin-oxid (ITO) varmelegeme, en kultur mediefyldningspumpe, en elektrisk strømforsyning, en højfrekvent effektforstærker, en EF-multiplexer, en programmerbar X-Y-Z motoriseret fase og et omvendt fasekontrastmikroskop udstyret med et digitalt kamera. Det mikrofluidiske system er gavnligt med hensyn til at forenkle den overordnede eksperimentelle opsætning og til gengæld reagens- og prøveforbruget. Dette arbejde indebærer differentiering af neurale stamceller og stamceller (NPC’er) induceret af jævnstrøm (DC) pulsstimulation. I stamcellevedligeholdelsesmediet differentierede musens NPC’er (mNPC’er) sig til neuroner, astrocytter og oligodendrocytter efter DC-pulsstimulationen. Resultaterne tyder på, at simpel DC puls behandling kunne kontrollere skæbnen for MNPC’er og kan bruges til at udvikle terapeutiske strategier for nervesystemet lidelser. Systemet kan bruges til cellekultur i flere kanaler, til langsigtet EF-stimulering, til cellemorfologiske observationer og til automatisk time-lapse billedopsamling. Dette mikrofluidiske system forkorter ikke kun den krævede forsøgstid, men øger også nøjagtigheden af kontrollen med mikromiljøet.

Introduction

Neurale prækursorceller (NPC’ere, også kendt som neurale stamceller og stamceller) kan være som en lovende kandidat til neurodegenerativ terapeutisk strategi1. De udifferentierede NPC’ere har selvfornyelseskapacitet , multistyrke og proliferativ evne2,3. En tidligere undersøgelse har rapporteret, at den ekstracellulære matrix og molekylære mæglere regulere differentiering af NPC. Den epidermale vækstfaktor (EGF) og den grundlæggende fibroblastvækstfaktor (bFGF) fremmer NPC-spredning og opretholder dermed den udifferentierede tilstand4.

Tidligere undersøgelser har rapporteret, at elektrisk stimulation kan regulere cellefysiologiske aktiviteter som division5, migration6,7,8, differentiering1,9,10og celledød11. Elektriske felter (EFs) spiller afgørende roller i udviklingen og regenerering af centralnervesystemet udvikling12,13,14. Fra 2009 til 2019 har dette laboratorium undersøgt cellulære reaktioner på anvendelsen af EF i det mikrofluidiske system1,6, 7,8,15,16,17. En multikanal, optisk gennemsigtig, elektrotaktisk (MOE) chip er designet til at være egnet til immunfluorescens farvning til konfokal mikroskopi. Chippen havde høj optisk gennemsigtighed og god holdbarhed og tillod samtidig udførelse af tre uafhængige stimulationseksperimenter og flere immunostained betingelser i en enkelt undersøgelse. Det mikrofluidiske system er gavnligt med hensyn til at forenkle den overordnede eksperimentelle opsætning og til gengæld reagens- og prøveforbruget. Dette papir beskriver udviklingen af et mikrofluidisk cellekultursystem, der blev brugt til en langsigtet celledifferentieringsundersøgelse.

Protocol

1. Design og fremstilling af MOE-chippen Tegn mønstre for individuelle polymethylmethanlag (PMMA) og dobbeltsidet tape ved hjælp af passende software (Figur 1A, Materialetabel). Klip både PMMA-arkene og det dobbeltsidede bånd med en CO 2-lasermaskineskribent (Figur 1B). Tænd for CO2 laserskriveren, og tilslut den til en personlig computer. Åbn den designede mønsterfil ved hjælp af softwaren. …

Representative Results

Den detaljerede konfiguration af MOE-chippen er vist i figur 1. Den mikrofluidiske chip giver en gavnlig tilgang til at reducere den eksperimentelle opsætningsstørrelse, prøvevolumen og reagensvolumen. MOE-chippen er designet til at udføre tre uafhængige EF-stimulationseksperimenter og flere immundæmpende tilstande samtidigt i en enkelt undersøgelse (Figur 3). Derudover er MOE-chippen, som har en høj optisk gennemsigtighe…

Discussion

Under fremstillingen af MOE-chippen fastgøres adapterne til MOE-chippens lag 1 med hurtigtvirkende cyanoacrylatlim. Limen påføres 4 hjørner af adapterne, og derefter påføres trykket jævnt over adapterne. Overskydende mængde lim skal undgås for at sikre fuldstændig polymerisering af limen. Desuden inkuberes den færdige MOE-chipsamling i et vakuumkammer. Dette trin hjælper med at fjerne boblerne mellem PMMA-laget, det dobbeltsidede bånd og dækglasset.

Valget af elektrodematerialet …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne takker professor Tang K. Tang, Institut for Biomedicinske Videnskaber, Academia Sinica, for hans hjælp til at give mus neurale stamceller og stamceller (mNPC’er). Forfatterne takker også professor Tang K. Tang og Ms Ying-Shan Lee, for deres værdifulde diskussion om differentiering af MNPC’er.

Materials

1 mm PMMA substrates (Layers 1-3) BHT K2R20 Polymethyl methacrylate (PMMA), http://www.bothharvest.com/zh-tw/product-421076/Optical-PMMA-Non-Coated-BHT-K2Rxx-xx=-thickness-choices.html
15 mL plastic tube Protech Technology Enterprise Co., Ltd CT-15-PL-TW Conical bottomed tube with cap, assembled, presterilized
3 mL syringe TERUMO DVR-3413 3 mL oral syringes, without needle
3 mm optical grade PMMA (Layer 5) CHI MEI Corporation ACRYPOLY PMMA Sheet Optical grade PMMA
3-way stopcock NIPRO NCN-3L Sterile disposable 3-way stopcock
5 mL syringe TERUMO DVR-3410 5 mL oral syringes, without needle
Adaptor Dong Zhong Co., Ltd. Customized PMMA adaptor
Agarose Sigma-Aldrich A9414 Agarose, low gelling temperature
Amplifier A.A. Lab Systems Ltd A-304 High voltage amplifier
AutoCAD software Autodesk Educational Version Drafting
B-27 supplement Gibco 12587-010 B-27 supplement (50x), minus vitamin A
Basic fibroblast growth factor (bFGF)  Peprotech AF-100-18B Also called recombinant human FGF-basic
Black rubber bung TERUMO DVR-3413 From 3 mL oral syringes, without needle
Bovine serum albumin (BSA) Sigma-Aldrich B4287 Blocking reagent 
Centrifuge HSIANGTAI CV2060 Centrifuge
CO2 laser scriber Laser Tools and Technics Corp.  ILS-II Purchased from http://www.lttcorp.com/index.htm
Cone connector IDEX Health & Science F-120X One-piece fingertight 10-32 coned, for 1/16" OD natural
Cone-Luer adaptor IDEX Health & Science P-659 Luer Adapter 10-32 Female to Female Luer, PEEK
Confocal fluorescence microscope Leica Microsystems TCS SP5 Leica TCS SP5 user manual, http://www3.unifr.ch/bioimage/wp-content/uploads/2013/10/User-Manual_TCS_SP5_V02_EN.pdf
Digital camera OLYMPUS E-330 Automatic time-lapse image acquisition
Digital oscilloscope Tektronix TDS2024 Measure voltage or current signals over time in an electronic circuit or component to display amplitude and frequency.
Double-sided tape 3M  PET 8018 Purchased from http://en.thd.com.tw/
Dulbecco’s modified Eagle’s medium/Ham's nutrient mixture F-12 (DMEM/F12) Gibco 12400024 DMEM/F-12, powder, HEPES
Dulbecco's phosphate-buffered saline (DPBS) Gibco 21600010 DPBS, powder, no calcium, no magnesium
EF multiplexer Asiatic Sky Co., Ltd. Customized Monitor and control the electric current in individual channels
Epidermal growth factor (EGF) Peprotech AF-100-15 Also called recombinant human EGF
Fast-acting cyanoacrylate glue 3M  7004T Strength instant adhesive (liquid)
Flat bottom connector IDEX Health & Science P-206 Flangeless male nut Delrin, 1/4-28 flat-bottom, for 1/16" OD blue
Function generator Agilent Technologies 33120A High-performance 15 MHz synthesized function generator with built-in arbitrary waveform capability
Goat anti-mouse IgG H&L (Alexa Fluor 488) Abcam ab150117 Goat anti-mouse IgG H&L (Alexa Fluor 488) preadsorbed
Goat anti-rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 555) Abcam ab150086 Goat polyclonal secondary antibody to rabbit IgG – H&L (Alexa Fluor 555), preadsorbed
Hoechst 33342 Invitrogen H3570 Nuclear staining
ImageJ software National Institutes of Health 1.48v Analyze the fluorescent images 
Indium–tin–oxide (ITO) glass Merck 300739 For ITO heater
Inverted phase contrast microscope OLYMPUS CKX41 For cell morphology observation
K-type thermocouple Tecpel TPK-02A Temperature thermocouples
Luer adapter IDEX Health & Science P618-01 Luer adapter female Luer to 1/4-28 male polypropylene
Luer lock syringe TERUMO DVR-3413 For agar salt bridges
Mouse anti-GFAP eBioscience 14-9892 Astrocytes marker
Oligodendrocyte  marker  O4  antibody R&D Systems MAB1326 Oligodendrocytes marker
Paraformaldehyde (PFA) Sigma-Aldrich P6148 Fixing agent
Phosphate buffered saline (PBS) Basic Life BL2651 Washing solution
Poly-L-Lysine (PLL) SIGMA P4707 Coating solution
Precision cover glasses thickness No. 1.5H MARIENFELD 107242 https://www.marienfeld-superior.com/precision-cover-glasses-thickness-no-1-5h-tol-5-m.html
Programmable X-Y-Z motorised stage Tanlian Inc Customized Purchased from http://www.tanlian.tw/ndex.files/motort.htm
Proportional–integral–derivative (PID) controller Toho Electronics TTM-J4-R-AB Temperature controller 
PTFE tube Professional Plastics Inc. Taiwan Branch Outer diameter 1/16 Inches White translucent PTFE tubing
Rabbit anti-Tuj1 Abcam ab18207 Neuron marker
Syringe pump New Era Systems Inc NE-1000 NE-1000 programmable single syringe pump
TFD4 detergent FRANKLAB TFD4 Cover glass cleaner
Thermal bonder Kuan-MIN Tech Co. Customized Purchased from http://kmtco.com.tw/
Triton X-100 Sigma-Aldrich T8787 Permeabilized solution
Ultrasonic cleaner LEO LEO-300S Ultrasonic steri-cleaner
Vacuum chamber DENG YNG INSTRUMENTS CO., Ltd. DOV-30 Vacuum drying oven
White fingertight plug IDEX Health & Science P-316 1/4-28 Flat-Bottom, https://www.idex-hs.com/store/fluidics/fluidic-connections/plug-teflonr-pfa-1-4-28-flat-bottom.html

References

  1. Chang, H. F., Lee, Y. S., Tang, T. K., Cheng, J. Y. Pulsed DC electric field-induced differentiation of cortical neural precursor cells. PLoS One. 11 (6), e0158133 (2016).
  2. Li, S., Li, H., Wang, Z. Orientation of spiral ganglion neurite extension in electrical fields of charge-balanced biphasic pulses and direct current in vitro. Hearing research. 267 (1-2), 111-118 (2010).
  3. Rajnicek, A. M., Robinson, K. R., McCaig, C. D. The direction of neurite growth in a weak DC electric field depends on the substratum: contributions of adhesivity and net surface charge. Developmental biology. 203 (2), 412-423 (1998).
  4. Kim, Y. H., et al. Differential regulation of proliferation and differentiation in neural precursor cells by the Jak pathway. Stem Cells. 28 (10), 1816-1828 (2010).
  5. Cunha, F., Rajnicek, A. M., McCaig, C. D. Electrical stimulation directs migration, enhances and orients cell division and upregulates the chemokine receptors CXCR4 and CXCR2 in endothelial cells. Journal of Vascular Research. 56 (1), 39-53 (2019).
  6. Chang, H. F., Cheng, H. T., Chen, H. Y., Yeung, W. K., Cheng, J. Y. Doxycycline inhibits electric field-induced migration of non-small cell lung cancer (NSCLC) cells. Scientific Reports. 9 (1), 8094 (2019).
  7. Tsai, H. F., Peng, S. W., Wu, C. Y., Chang, H. F., Cheng, J. Y. Electrotaxis of oral squamous cell carcinoma cells in a multiple-electric-field chip with uniform flow field. Biomicrofluidics. 6 (3), 34116 (2012).
  8. Huang, C. W., Cheng, J. Y., Yen, M. H., Young, T. H. Electrotaxis of lung cancer cells in a multiple-electric-field chip. Biosensors and Bioelectronics. 24 (12), 3510-3516 (2009).
  9. Jing, W., et al. Study of electrical stimulation with different electric-field intensities in the regulation of the differentiation of PC12 cells. American Chemical Society Chemical Neuroscience. 10 (1), 348-357 (2019).
  10. Guo, W., et al. Self-powered electrical stimulation for enhancing neural differentiation of mesenchymal stem cells on graphene-poly(3,4-ethylenedioxythiophene) hybrid microfibers. American Chemical Society Nano. 10 (5), 5086-5095 (2016).
  11. Manabe, M., Mie, M., Yanagida, Y., Aizawa, M., Kobatake, E. Combined effect of electrical stimulation and cisplatin in HeLa cell death. Biotechnology and Bioengineering. 86 (6), 661-666 (2004).
  12. Liu, M., et al. Protective effect of moderate exogenous electric field stimulation on activating netrin-1/DCC expression against mechanical stretch-induced injury in spinal cord neurons. Neurotoxicity Research. 34 (2), 285-294 (2018).
  13. Haan, N., Song, B. Therapeutic application of electric fields in the injured nervous system. Advances in Wound Care. 3 (2), 156-165 (2014).
  14. Ariza, C. A., et al. The influence of electric fields on hippocampal neural progenitor cells. Stem Cell Reviews and Reports. 6 (4), 585-600 (2010).
  15. Huang, C. W., et al. Gene expression of human lung cancer cell line CL1-5 in response to a direct current electric field. PLoS One. 6 (10), e25928 (2011).
  16. Sun, Y. S., Peng, S. W., Lin, K. H., Cheng, J. Y. Electrotaxis of lung cancer cells in ordered three-dimensional scaffolds. Biomicrofluidics. 6 (1), 14102-14114 (2012).
  17. Hou, H. S., Chang, H. F., Cheng, J. Y. Electrotaxis studies of lung cancer cells using a multichannel dual-electric-field microfluidic chip. Journal of Visualized Experiments. 106, e53340 (2015).
  18. Cheng, J. Y., Yen, M. H., Hsu, W. C., Jhang, J. H., Young, T. H. ITO patterning by a low power Q-switched green laser and its use in the fabrication of a transparent flow meter. Journal of Micromechanics and Microengineering. 17 (11), 2316-2323 (2007).
  19. Cheng, J. Y., Yen, M. H., Kuo, C. T., Young, T. H. A transparent cell-culture microchamber with a variably controlled concentration gradient generator and flow field rectifier. Biomicrofluidics. 2 (2), 24105 (2008).
  20. Fuhr, G., Shirley, S. G. Cell handling and characterization using micron and submicron electrode arrays: state of the art and perspectives of semiconductor microtools. Journal of Micromechanics and Microengineering. 5 (2), 77-85 (1995).
  21. AChang, K. A., et al. Biphasic electrical currents stimulation promotes both proliferation and differentiation of fetal neural stem cells. PLoS One. 6 (4), e18738 (2011).
  22. Lim, J. H., McCullen, S. D., Piedrahita, J. A., Loboa, E. G., Olby, N. J. Alternating current electric fields of varying frequencies: effects on proliferation and differentiation of porcine neural progenitor cells. Cell Reprogram. 15 (5), 405-412 (2013).
check_url/61917?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Chang, H., Chou, S., Cheng, J. Electric-Field-Induced Neural Precursor Cell Differentiation in Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (170), e61917, doi:10.3791/61917 (2021).

View Video