Summary

Mekano-node-pore-sensor: En hurtig, etiketfri platform til multi-parameter enkeltcelle viskoelastiske målinger

Published: December 02, 2022
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Design enhedens geometri Vælg bredden af størrelses- og gendannelsessegmenterne, så den er bredere end diameteren på de største celler, der skal måles, men også opretholder et tilstrækkeligt signal-støj-forhold (SNR). Se supplerende tabel 2 for eksempler på forskellige størrelses- og gendannelsessegmentbredder for forskellige cellelinjer. Vælg sammentrækningssegmentbredden for at anvende en 30% -40% belastning på den gennemsnitlige størrelse af de ce…

Representative Results

Mekanophenotypningsplatformen, der præsenteres her, er en enkel og alsidig tilgang til måling af de biofysiske egenskaber hos enkeltceller med moderat gennemstrømning. Celler strømmes gennem den mikrofluidiske kanal (figur 1A) ved hjælp af konstant trykdrevet strømning. Når cellerne passerer, registreres længden af den mikrofluidiske kanal og de producerede strømimpulser ved hjælp af dataindsamlingshardwaren. Det erhvervede signal (figur 1B, C<…

Discussion

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

Materials

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 

References

  1. Pegoraro, A. F., Janmey, P., Weitz, D. A. Mechanical properties of the cytoskeleton and cells. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 9 (11), 022038 (2017).
  2. Kim, J., et al. Characterizing cellular mechanical phenotypes with mechano-node-pore sensing. Microsystems & Nanoengineering. 4, 17091 (2018).
  3. Mierke, C. T. Bidirectional mechanical response between cells and their microenvironment. Frontiers in Physics. 9, 619 (2021).
  4. Kumar, S., Weaver, V. M. Mechanics, malignancy, and metastasis: The force journey of a tumor cell. Cancer and Metastasis Reviews. 28 (1), 113-127 (2009).
  5. Nia, H. T., Munn, L. L., Jain, R. K. Physical traits of cancer. Science. 370 (6516), (2020).
  6. Fletcher, D. A., Mullins, R. D. Cell mechanics and the cytoskeleton. Nature. 463 (7280), 485-492 (2010).
  7. Wirtz, D., Konstantopoulos, K., Searson, P. C. The physics of cancer: The role of physical interactions and mechanical forces in metastasis. Nature Reviews Cancer. 11 (7), 512-522 (2011).
  8. Li, B., et al. Mechanical phenotyping reveals unique biomechanical responses in retinoic acid-resistant acute promyelocytic leukemia. iScience. 25 (2), 103772 (2022).
  9. Kozminsky, M., Sohn, L. L. The promise of single-cell mechanophenotyping for clinical applications. Biomicrofluidics. 14 (3), 031301 (2020).
  10. Li, M., Dang, D., Liu, L., Xi, N., Wang, Y. Atomic force microscopy in characterizing cell mechanics for biomedical applications: A review. IEEE Transactions on Nanobioscience. 16 (6), 523-540 (2017).
  11. Wottawah, F., et al. Optical rheology of biological cells. Physical Review Letters. 94 (9), 1-4 (2005).
  12. Darling, E. M., Di Carlo, D. High-throughput assessment of cellular mechanical properties. Annual Review of Biomedical Engineering. 17 (1), 35-62 (2015).
  13. Carey, T. R., Cotner, K. L., Li, B., Sohn, L. L. Developments in label-free microfluidic methods for single-cell analysis and sorting. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 11 (1), 1529 (2019).
  14. Bagnall, J. S., et al. Deformability of tumor cells versus blood cells. Scientific Reports. 5, 18542 (2015).
  15. Byun, S., et al. Characterizing deformability and surface friction of cancer cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (19), 7580-7585 (2013).
  16. Otto, O., et al. Real-time deformability cytometry: On-the-fly cell mechanical phenotyping. Nature Methods. 12 (3), 199-202 (2015).
  17. Gossett, D. R., et al. Hydrodynamic stretching of single cells for large population mechanical phenotyping. Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (20), 7630-7635 (2012).
  18. Guck, J., Chilvers, E. R. Mechanics meets medicine. Science Translational Medicine. 5 (212), 3-6 (2013).
  19. Balakrishnan, K. R., et al. Node-pore sensing: A robust, high-dynamic range method for detecting biological species. Lab on a Chip. 13 (7), 1302-1307 (2013).
  20. Carbonaro, A., Sohn, L. L. A resistive-pulse sensor chip for multianalyte immunoassays. Lab on a Chip. 5 (10), 1155-1160 (2005).
  21. Saleh, O. A., Sohn, L. L. Direct detection of antibody-antigen binding using an on-chip artificial pore. Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (3), 820-824 (2003).
  22. Saleh, O. A., Sohn, L. L. An artificial nanopore for molecular sensing. Nano Letters. 3 (1), 37-38 (2003).
  23. Saleh, O. A., Sohn, L. L. Quantitative sensing of nanoscale colloids using a microchip Coulter counter. Review of Scientific Instruments. 72 (12), 4449-4451 (2001).
  24. DeBlois, R. W., Bean, C. P. Counting and sizing of submicron particles by the resistive pulse technique. Review of Scientific Instruments. 41 (7), 909-916 (1970).
  25. Li, B., et al. Evaluating sources of technical variability in the mechano-node-pore sensing pipeline and their effect on the reproducibility of single-cell mechanical phenotyping. PLoS ONE. 16 (10), 0258982 (2021).
  26. Zhang, Z. M., Chen, S., Liang, Y. Z. Baseline correction using adaptive iteratively reweighted penalized least squares. Analyst. 135 (5), 1138-1146 (2010).
  27. Alibert, C., Goud, B., Manneville, J. B. Are cancer cells really softer than normal cells. Biology of the Cell. 109 (5), 167-189 (2017).
  28. Fujiwara, I., Zweifel, M. E., Courtemanche, N., Pollard, T. D. Latrunculin A accelerates actin filament depolymerization in addition to sequestering actin monomers. Current Biology. 28 (19), 3183-3192 (2018).
  29. Saleh, O. A. . A novel resistive pulse sensor for biological measurements. , (2003).
  30. Dokukin, M. E., Guz, N. V., Sokolov, I. Quantitative study of the elastic modulus of loosely attached cells in AFM indentation experiments. Biophysical Journal. 104 (10), 2123-2131 (2013).
  31. Li, Q., Lim, C. T., Goh, J. C. H., et al. Probing the elasticity of breast cancer cells using AFM. 13th International Conference on Biomedical Engineering. IFMBE Proceedings. 23, 2122-2125 (2009).
  32. Rother, J., et al. Atomic force microscopy-based microrheology reveals significant differences in the viscoelastic response between malign and benign cell lines. Open Biology. 4 (5), 140046 (2014).
  33. Li, Q., et al. AFM indentation study of breast cancer cells. Biochemical and Biophysical Research Communications. 374 (4), 609-613 (2008).
  34. Xu, C., et al. Elasticity measurement of breast cancer cells by atomic force microscopy. Proc. SPIE 9230. Twelfth International Conference on Photonics and Imaging in Biology and Medicine. (PIBM 2014). 92300, (2014).
  35. Alcaraz, J., et al. Microrheology of human lung epithelial cells measured by atomic force microscopy. Biophysical Journal. 84 (3), 2071-2079 (2003).
  36. Li, M., Dang, D., Liu, L., Xi, N., Wang, Y. Atomic force microscopy in characterizing cell mechanics for biomedical applications: A review. IEEE Transactions on Nanobioscience. 16 (6), 523-540 (2017).
  37. Urbanska, M., et al. A comparison of microfluidic methods for high-throughput cell deformability measurements. Nature Methods. 17, 587-593 (2020).
  38. Hill, R. T., Chilkoti, A. Surface Patterning. Biomaterials Science: An Introduction to Materials: Third Edition. , 276-301 (2013).
  39. Wang, Z., Volinsky, A. A., Gallant, N. D. Crosslinking effect on polydimethylsiloxane elastic modulus measured by custom-built compression instrument. Journal of Applied Polymer Science. 131 (22), 41050 (2014).
  40. Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. Journal of the Royal Society Interface. 9 (76), 2749-2766 (2012).
  41. Stephens, A. D., Banigan, E. J., Adam, S. A., Goldman, R. D., Marko, J. F. Chromatin and lamin a determine two different mechanical response regimes of the cell nucleus. Molecular Biology of the Cell. 28 (14), 1984-1996 (2017).
  42. Rosenbluth, M. J., Lam, W. A., Fletcher, D. A. Force microscopy of nonadherent cells: A comparison of leukemia cell deformability. Biophysical Journal. 90 (8), 2994-3003 (2006).
  43. Evers, T. M. J., Holt, L. J., Alberti, S., Mashaghi, A. Reciprocal regulation of cellular mechanics and metabolism. Nature Metabolism. 3 (4), 456-468 (2021).
  44. Balakrishnan, K. R., et al. Node-pore sensing enables label-free surface-marker profiling of single cells. Analytical Chemistry. 87 (5), 2988-2995 (2015).

Play Video

Cite This Article
Lai, A., Rex, R., Cotner, K. L., Dong, A., Lustig, M., Sohn, L. L. Mechano-Node-Pore Sensing: A Rapid, Label-Free Platform for Multi-Parameter Single-Cell Viscoelastic Measurements. J. Vis. Exp. (190), e64665, doi:10.3791/64665 (2022).

View Video