Præsenteret her er en metode til mekanisk fænotype enkeltceller ved hjælp af en elektronikbaseret mikrofluidisk platform kaldet mekano-node-pore-sensing (mechano-NPS). Denne platform opretholder moderat gennemstrømning på 1-10 celler / s, mens den måler både cellernes elastiske og viskøse biofysiske egenskaber.
Cellulære mekaniske egenskaber er involveret i en lang række biologiske processer og sygdomme, lige fra stamcelledifferentiering til kræftmetastase. Konventionelle metoder til måling af disse egenskaber, såsom atomkraftmikroskopi (AFM) og mikropipetteaspiration (MA), fanger rig information, der afspejler en celles fulde viskoelastiske respons; Disse metoder er dog begrænset af meget lav gennemstrømning. Tilgange med høj kapacitet, såsom realtidsdeformerbarhedscytometri (RT-DC), kan kun måle begrænset mekanisk information, da de ofte er begrænset til enkeltparameterudlæsninger, der kun afspejler en celles elastiske egenskaber. I modsætning til disse metoder er mekano-node-pore-sensing (mechano-NPS) en fleksibel, etiketfri mikrofluidisk platform, der bygger bro over kløften for at opnå multiparameter viskoelastiske målinger af en celle med moderat gennemstrømning. En jævnstrømsmåling (DC) bruges til at overvåge celler, når de passerer en mikrofluidisk kanal, og spore deres størrelse og hastighed før, under og efter at de er tvunget gennem en smal indsnævring. Denne information (dvs. størrelse og hastighed) bruges til at kvantificere hver celles tværgående deformation, modstand mod deformation og genopretning fra deformation. Generelt giver denne elektronikbaserede mikrofluidiske platform flere viskoelastiske celleegenskaber og dermed et mere komplet billede af en celles mekaniske tilstand. Fordi det kræver minimal prøveforberedelse, bruger en ligetil elektronisk måling (i modsætning til et højhastighedskamera) og drager fordel af standard blød litografifabrikation, er implementeringen af denne platform enkel, tilgængelig og kan tilpasses til downstream-analyse. Denne platforms fleksibilitet, anvendelighed og følsomhed har givet unik mekanisk information om en bred vifte af celler med potentiale for mange flere applikationer inden for grundvidenskab og klinisk diagnostik.
Enkeltceller er dynamiske, viskoelastiske materialer1. En lang række interne og eksterne processer (f.eks. Begyndende mitose eller ombygning af den ekstracellulære matrix [ECM]) påvirker deres struktur og sammensætning 2,3,4, hvilket ofte resulterer i forskellige biofysiske egenskaber, der supplerer deres nuværende tilstand. Især har mekaniske egenskaber vist sig at være vigtige biomarkører for cellulær udvikling, fysiologi og patologi, hvilket giver værdifuld kvantitativ information, der kan supplere kanoniske molekylære og genetiske tilgange 5,6,7. For eksempel beskrev Li et al. for nylig de mekaniske forskelle mellem lægemiddelresistente og lægemiddelresponsive akutte promyelocytiske leukæmiceller, samtidig med at RNA-seq anvendes til at afdække differentielt udtrykte cytoskeletassocierede gener8. Ved at forstå det komplekse samspil mellem enkeltcellemekanik og cellulær funktion har mekanotypning bredere anvendelser til at transformere grundvidenskab og klinisk diagnostik9.
Det mest anvendte værktøj til måling af enkeltcellemekanik er atomkraftmikroskopi (AFM). Mens AFM muliggør en lokaliseret måling af cellulære mekaniske egenskaber med høj opløsning, forbliver den begrænset til en gennemstrømning på <0,01 celler / s10. Alternativt er optiske bårer, der bruger to divergerende laserstråler til at fange og deformere suspenderede enkeltceller11, begrænset til marginalt højere gennemstrømninger på <1 celle / s12. Nylige fremskridt inden for mikrofluidiske teknologier har muliggjort en ny generation af enheder til hurtig, encellet, mekanisk vurdering12,13. Disse teknikker anvender smalle indsnævringskanaler 14,15, forskydningsflow 16 eller hydrodynamisk strækning 17 for hurtigt at deformere celler ved gennemstrømninger på 10-1.000 celler / s 18. Selv om målehastigheden for disse metoder er betydeligt hurtigere end konventionelle teknikker, bytter de ofte kapacitet med høj kapacitet til begrænsede mekaniske aflæsninger (supplerende tabel 1). Alle de førnævnte hurtige mikrofluidiske metoder fokuserer på grundlæggende enkeltparametermålinger, såsom transittid eller deformerbarhedsforhold, der kun afspejler en celles elastiske egenskaber. I betragtning af enkeltcellernes iboende viskoelastiske karakter kræver en robust og grundig mekanisk karakterisering af celler imidlertid ikke kun overvejelse af elastiske komponenter, men også viskøse reaktioner.
Mechano-node-pore sensing (mechano-NPS)2,8 (figur 1A) er en mikrofluidisk platform, der adresserer eksisterende begrænsninger med enkeltcelle mekanoophenotypning. Denne metode muliggør måling af flere biofysiske parametre samtidigt, herunder cellediameter, relativ deformerbarhed og restitutionstid fra deformation med en moderat gennemstrømning på 1-10 celler / s. Denne teknik er baseret på node-pore sensing (NPS)19,20,21,22,23,24, hvilket indebærer at bruge en firepunktssondemåling til at måle den modulerede strømpuls produceret af en celle, der passerer en mikrofluidisk kanal, der er segmenteret af bredere regioner, kaldet “noder”. Den modulerede strømpuls er et resultat af, at cellen delvis blokerer strømmen i segmenterne (dvs. “porer”) og knuder, med mere strøm blokeret i førstnævnte end i sidstnævnte. I mekano-NPS er et segment, “sammentrækningskanalen”, smallere end en cellediameter; derfor skal en celle deformeres for at passere hele kanalen (figur 1B). Cellediameter kan bestemmes af størrelsen af den subpuls, der produceres, når cellen passerer knudeporerne før sammentrækningskanalen (figur 1B, C). Her |ΔInp|, det aktuelle fald, når cellen er i poren, er proportional med volumenforholdet mellem cellen og poren, V-celle /V-pore 2,8,19. Cellestivhed kan bestemmes af ΔTc, varigheden af den dramatisk større subpuls, der produceres, når cellen passerer sammentrækningskanalen (figur 1B, C). En stivere celle vil tage længere tid at passere kanalen end en blødere 2,8. Endelig kan celle “genopretning”, cellens evne til at vende tilbage til sin oprindelige størrelse og form efter deformation, bestemmes af den serie af subpulser, der produceres, når cellen passerer knudeporerne efter sammentrækningskanalen (figur 1B, C). Gendannelsestiden, ΔTr, er den tid, det tager for de aktuelle subpulser at vende tilbage til størrelsen af de tidligere subpulser, før cellen presses. Samlet set registreres og analyseres de modulerede strømimpulser, der produceres som en celle, der passerer den mikrofluidiske kanal, for at ekstrahere de relevante enkeltcellemekaniske parametre (figur 1D)2,8.
Reproducerbarheden og brugervenligheden af denne elektronikbaserede mikrofluidiske platform er tidligere blevet demonstreret25. Derudover præsenterer platformen en lav adgangsbarriere for encellet mekanotypning. Standard blød litografi anvendes til fremstilling af mikrofluidiske enheder. Målehardwaren består af billige komponenter, herunder et simpelt printkort (PCB), strømforsyning, forforstærker, dataopsamlingskort (DAQ) og computer. Endelig er brugervenlig kode tilgængelig til dataindsamling og analyse, hvilket muliggør enkel implementering. Denne mekanofysningsteknik kan skelne populationer af ikke-maligne og ondartede bryst- og lungeepitelcellelinjer, skelne mellem underlinjer i primære humane brystepitelceller og karakterisere virkningerne af cytoskeletale forstyrrelser og andre farmakologiske midler 2,8. Samlet set er denne platform en effektiv tilgang til mekanoophenotypning af enkeltceller.
Måling af de mekaniske egenskaber ved enkeltceller ved hjælp af denne mekanotypningsteknik består af tre faser: enhedsfremstilling, dataindsamling og dataanalyse. Inden for hvert trin er der bemærkelsesværdige aspekter, der kan påvirke de eksperimentelle resultater betydeligt. Under enhedsfremstilling er ensartede kanalgeometrier og enhed-til-enhed-ensartethed afgørende for nøjagtige og repeterbare resultater. Specifikt skal sidevæggene på hver enhed være relativt glatte (figur 4Ai</strong…
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev støttet af tilskud fra NIBIB 1R01EB024989-01 og NCI 1R01CA190843-01. A. L. og R. R. blev støttet af et H2H8 Association Graduate Research Fellowship. K. L. C. blev støttet af et National Science Foundation Graduate Research Fellowship og et Siebel Scholar Fellowship.
Acetone | J.T. Baker | 5356-05 | Purity (GC) ≥ 99.5% (https://us.vwr.com/store/product/6057739/acetone-99-5-vlsi-j-t-baker) |
Aluminum Foil | n/a | n/a | |
Analog Low-Pass Filter | ThorLabs | EF504 | ≤240 kHz Passband, Coaxial BNC Feedthrough (https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=EF504#ad-image-0) |
Biopsy Punch | Integra Miltex | 33-31AA-P/25 | 1mm, Disposable, with Plunger (https://mms.mckesson.com/product/573313/Miltex-33-31AA-P25) |
Blade | n/a | n/a | |
BNC Cable | Pomona Electronics | 2249-C-12 | https://www.digikey.com/en/products/detail/pomona-electronics/2249-C-12/603323?utm_adgroup=Coaxial%20Cables%20%28RF%29&utm_source=google&utm_ medium=cpc&utm_campaign= Shopping_Product_Cable%20Assemblies_NEW&utm_term= &utm_content=Coaxial%20Cables%20%28RF%29&gclid=Cj0KCQjwlK-WBhDjARIsAO2sErQqnVJ pj5OXVObuTI8ZUf1ZeIn7zvzGnx mCWdePrG6SdEJMF3X6ubUaAs w-EALw_wcB |
Cleanroom Polyester Swab | Thermo Fisher Scientific | 18383 | https://www.fishersci.com/shop/products/texwipe-cleantip-alpha-polyester-series-swabs-6/18383 |
Current Preamplifier | DL Instruments | 1211 | https://www.brltest.com/index.php?main_page=product_info&products_ id=1419 |
Custom PCB (w/ components) | n/a | n/a | see Supplemental files 4 and 5 |
DAQ Terminal Block | National Instruments | BNC-2120 | https://www.ni.com/en-in/support/model.bnc-2120.html |
DAQ to BNC-2110 cable | National Instruments | SHC68-68-EPM | https://www.ni.com/en-in/support/model.shc68-68-epm.html |
Data Acquisition Board (DAQ) | National Instruments | PCI-6251 | https://www.ni.com/docs/en-US/bundle/pci-6251-feature/page/overview.html |
Dessicator | Thermo Fisher Scientific | 5311-0250 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/5311-0250 |
Female BNC To Banana Plug Adapter | Pomona Electronics | 72909 | https://www.digikey.com/en/products/detail/pomona-electronics/72909/1196318 |
Fetal Bovine Serum (FBS) | VWR | 89510-186 | https://us.vwr.com/store/product/18706419/avantor-seradigm-select-grade-usda-approved-origin-fetal-bovine-serum-fbs |
Glass Cutter | Chemglass | CG-1179-21 | https://chemglass.com/plate-glass-cutters-diamond-tips |
Gold Etchant TFA | Transene | NC0977944 | https://www.fishersci.com/shop/products/NC0977944/NC0977944 |
Hot Plate | Thermo Fisher Scientific | SP131825 | |
Isopropyl Alcohol | Spectrum Chemical | I1056-4LTPL | Purity (GC) ≥99.5% (https://www.spectrumchemical.com/isopropyl-alcohol-99-percent-fcc-i1056) |
Metal Hardware Enclosure | Hammond Manufacturing | EJ12126 | https://www.digikey.com/en/products/detail/hammond-manufacturing/EJ12126/2423415 |
Methanol | Sigma-Aldrich | 34860 | Purity (GC) ≥99.8% (https://www.sigmaaldrich.com/IN/en/substance/methanol320467561) |
MF-321 Developer | Kayaku Advanced Materials | n/a | https://kayakuam.com/products/mf-321/ |
MICROPOSIT S1813 Positive Photoresist | DuPont | n/a | https://kayakuam.com/products/microposit-s1800-g2-series-photoresists/ |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 10010049 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10010049?SID=srch-hj-10010049 |
Photomask | Fineline Imaging | n/a | Photomask are custom ordered from our CAD designs (https://www.fineline-imaging.com/) |
Plain Glass Microscope Slide | Fisher Scientific | 12-553-5B | Material: Soda Lime, L75 x W50 mm, Thickness: 0.90–1.10 mm |
Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-001 | https://harrickplasma.com/plasma-cleaners/expanded-plasma-cleaner/ |
Plastic Petri Dish | Thermo Fisher Scientific | FB0875712 | 100 mm (https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-petri-dishes-clear-lid-raised-ridge-100-x-15mm/FB0875712) |
Pressure Controller | Fluigent | MFCS-EZ | https://www.fluigent.com/research/instruments/pressure-flow-controllers/mfcs-series/ |
Pressure Controller Software | Fluigent | MAESFLO | |
Programming & Computation Software | MATLAB | R2021b | for data acquisition and analysis (https://www.mathworks.com/products/matlab.html) |
PTFE Tubing | Cole Parmer | 06417-31 | 0.032" ID x 0.056" (https://www.coleparmer.com/i/masterflex-transfer-tubing-microbore-ptfe-0-032-id-x-0-056-od-100-ft-roll/0641731) |
Scepter 2.0 Handheld Automatic Cell Counter | Millapore Sigma | PHCC20060 | https://www.sigmaaldrich.com/IN/en/product/mm/phcc20060 |
Silicon Wafer | Wafer World | 2885 | 76.2 mm, Single Side Polished (https://www.waferworld.com/product/2885) |
Spin Coater | n/a | n/a | |
SU-8 3025 Negative Photoresist | Kayaku Advanced Materials | n/a | https://kayakuam.com/products/su-8-2000/ |
SU8 Developer | Kayaku Advanced Materials | n/a | https://kayakuam.com/products/su-8-developer/ |
Sygard 184 Polydimethlysiloxane | Dow Chemical | 4019862 | https://www.ellsworth.com/products/by-market/consumer-products/encapsulants/silicone/dow-sylgard-184-silicone-encapsulant-clear-0.5-kg-kit/ |
Tape | Scotch | 810-341296 | https://www.staples.com/Scotch-Magic-Tape-810-3-4-x-36-yds-1-Core/product_130567?cid=PS:GS:SBD:PLA:OS&gclid= Cj0KCQjwlK-WBhDjARIsAO 2sErRwzrrgjU0NjFkDkne1xm vT7ekS3tdzvAgiMDwPoxocgH VTQZi7vJgaAvQZEALw_wcB |
Titanium, Platinum, Gold | n/a | n/a | |
Triple Output Power Supply | Keysight | E36311A | https://www.newark.com/keysight-technologies/e36311a/dc-power-supply-3o-p-6v-5a-prog/dp/15AC9653 |
UV Mask Aligner | Karl Suss America | MJB3 Mask Aligner |