Cellemønster ved hjælp af magnetisk-Archimedes-strategi
Summary
Denne protokol beskriver en blækfri, etiketfri, substratuafhængig, cellemønstermetode med høj kapacitet baseret på den magnetiske Archimedes-effekt.
Abstract
Cellemønstre, der muliggør præcis kontrol af cellepositionering, giver en unik fordel i studiet af celleadfærd. I denne protokol introduceres en cellemønsterstrategi baseret på Magnetic-Archimedes (Mag-Arch) effekten. Denne fremgangsmåde muliggør præcis kontrol af cellefordeling uden brug af blækmaterialer eller mærkningspartikler. Ved at indføre et paramagnetisk reagens for at forbedre cellekulturmediets magnetiske modtagelighed frastødes celler af magneter og arrangerer sig i et mønster, der supplerer magnetsættene placeret under det mikrofluidiske substrat.
I denne artikel gives detaljerede procedurer for cellemønster ved hjælp af Mag-Arch-baseret strategi. Der tilbydes metoder til mønster af enkeltcelletyper samt flere celletyper til samkultureksperimenter. Derudover leveres omfattende instruktioner til fremstilling af mikrofluidiske enheder, der indeholder kanaler til cellemønster. At opnå denne funktion ved hjælp af parallelle metoder er udfordrende, men kan gøres på en forenklet og omkostningseffektiv måde. Anvendelse af Mag-Arch-baseret cellemønster udstyrer forskere med et kraftfuldt værktøj til in vitro-forskning .
Introduction
Cellemønstre udvikler sig til en intuitiv og kraftfuld teknologi til in vitro-undersøgelser 1. Ved at manipulere cellepositioner i dyrkningsplader giver det løsninger til en række eksperimenter, herunder cellemigration2, biomimetisk multicellulær co-kultur3, organoidsamling4, biomaterialeundersøgelser5 og mere. I de fleste situationer foretrækkes en blækfri, etiketfri metode til cellemønster, fordi den giver nem betjening og høj cellelevedygtighed til efterfølgende undersøgelser.
Mag-Arch-effekten er et fysisk fænomen, hvor diamagnetiske objekter i paramagnetiske væsker har tendens til at bevæge sig mod regioner med svage magnetfelter6. Levende celler er naturligt diamagnetiske, mens cellekulturmedier kan gøres paramagnetiske ved at tilføje opløselige paramagnetiske elementer, såsom gadopentetat dimeglumin (Gd-DTPA), der almindeligvis anvendes intravenøst i kernemagnetisk resonansbilleddannelse som kontrastmiddel7. Derfor forventes celler at blive frastødt af det omgivende paramagnetiske medium og bevæge sig mod regioner, hvor magnetfelter er svagere8. Et mønstret magnetfelt kan let genereres ved hjælp af et sæt neodymmagneter. Ideelt set samles cellemønstre i modsætning til magnetmønstrene. Teknisk set defineres dette som en etiketfri metode, fordi det eneste ekstra reagens, Gd-DTPA, forbliver i det ekstracellulære miljø og ikke binder til celler. Således kan potentielle påvirkninger på efterfølgende cellekultur let undgås ved at erstatte dyrkningsmediet. Sammenlignet med andre metoder 1,3,9,10 kræver den Mag-Arch-baserede strategi ikke bioblækkomponenter eller anvendelse af specifikke partikler for positivt at mærke cellerne. Desuden har det vist sig at arbejde på flere substrater til celleadhæsion og er i stand til high-throughput cellemønster4.
Denne artikel præsenterer en detaljeret protokol til cellemønster ved hjælp af Mag-Arch-baseret metode, der dækker alt fra enhedsfremstilling til justering af cellemønsteret. Ud over de mønstre, vi har demonstreret, kan brugerne nemt oprette forskellige cellemønstre ved hjælp af magneter og Gd-DTPA-løsning. Desuden leveres protokoller til samling af komplekse samkulturmønstre og manipulation af celler i lukkede mikrofluidiske chips.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det Mag-Arch-baserede cellemønster giver en brugervenlig løsning til de fleste biomedicinske laboratorier. Denne metode udvikler sig parallelt med tegn i blækfri, etiketfri, substratuafhængig og evnen til mønster med høj kapacitet 8,13. Til mono-type cellemønster mønstrer det celler på en et-trins måde. Proceduren afsluttes simpelthen ved at opdatere kulturmedier.
Tidligere undersøgelser har brugt magnetiske partikler til at…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse støttes økonomisk af National Key R&D Program of China (2021YFA1101100), National Natural Science Foundation of China (32000971), Fundamental Research Funds for the Central Universities (nr. 2021FZZX001-42) og Starry Night Science Fund fra Zhejiang University Shanghai Institute for Advanced Study (bevillingsnr. SN-ZJU-SIAS-004).
Materials
| A2780 ovarian cancer cells | Procell | CL-0013 | |
| Cell culture medium (DMEM, high glucose) | Gibco | 11995040 | |
| Cover slides | Citotest Scientific | 80340-3610 | For fabricating microfluidics. Dimension: 24 mm × 50 mm |
| DiD | MedChemExpress (MCE) | HY-D1028 | For labeling cells with red fluorescence (Ex: 640 nm) |
| DiI | MedChemExpress (MCE) | HY-D0083 | For labeling cells with orange fluorescence (Ex: 550 nm) |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Biochannel | BC-SE-FBS07 | |
| Gadopentetate dimeglumine (Gd-DTPA) | Beijing Beilu Pharmaceutical | H10860002 | |
| Gelatin | Sigma Aldrich | V900863 | |
| Glass cell slides | Citotest Scientific | 80346-2510 | Diameter: 25 mm; thickness: 0.19-0.22 mm |
| Glass plates | PURESHI hardware store | For fabricating microfluidics. Dimension: 40 mm × 75 mm | |
| Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) | Servicebio | STCC12103G-1 | |
| Neodymium-iron-boron magnets (N52) | Lalaci | ||
| Non-toxic glass plate coating (Gel Slick Solution) | Lonza | 1049286 | For convenience of demolding when fabricating microfluidics |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Servicebio | G4200 | |
| Plasma cleaner | SANHOPTT | PT-2S | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) kit | DOWSIL | SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit | For fabricating microfluidics |
| Polytetrafluoroethylene (PFTE) mold | PURESHI hardware store | Customized online, for fabricating microfluidics | |
| Silicon plate | PURESHI hardware store | ||
| Smooth Muscle Cells (SMC) | Procell | CL-0517 | |
| Ultrasonic cleaner | Sapeen | CSA-02 |
References
- Christian, J., et al. Control of cell adhesion using hydrogel patterning techniques for applications in traction force microscopy. J Vis Exp. 179, e63121 (2022).
- Abbas, Y., Turco, M. Y., Burton, G. J., Moffett, A. Investigation of human trophoblast invasion in vitro. Hum Reprod Update. 26 (4), 501-513 (2020).
- Park, M., et al. Modulation of heterotypic and homotypic cell-cell interactions via zwitterionic lipid masks. Adv Healthc Mater. 6 (15), 1700063 (2017).
- Ren, T., Chen, P., Gu, L., Ogut, M. G., Demirci, U. Soft ring-shaped cellu-robots with simultaneous locomotion in batches. Adv Mater. 32 (8), e1905713 (2020).
- Ren, T., Steiger, W., Chen, P., Ovsianikov, A., Demirci, U. Enhancing cell packing in buckyballs by acoustofluidic activation. Biofabrication. 12 (2), 025033 (2020).
- Ge, S., et al. Magnetic levitation in chemistry, materials science, and biochemistry. Angew Chem Int Ed Engl. 59 (41), 17810-17855 (2020).
- Puluca, N., et al. Levitating cells to sort the fit and the fat. Adv Biosyst. 4 (6), e1900300 (2020).
- Ren, T., et al. Programing cell assembly via ink-free, label-free magneto-archimedes based strategy. ACS Nano. 17 (13), 12072-12086 (2023).
- Li, Y. C., et al. Programmable laser-assisted surface microfabrication on a poly(vinyl alcohol)-coated glass chip with self-changing cell adhesivity for heterotypic cell patterning. ACS Appl Mater Interfaces. 7 (40), 22322-22332 (2015).
- Chliara, M. A., Elezoglou, S., Zergioti, I. Bioprinting on organ-on-chip: Development and applications. Biosensors (Basel). 12 (12), 1135 (2022).
- Moncal, K. K., Yaman, S., Durmus, N. G. Levitational 3D bioassembly and density-based spatial coding of levitoids. Adv Funct Mater. 32 (50), 2204092 (2022).
- Parfenov, V. A., et al. Magnetic levitational bioassembly of 3D tissue construct in space. Sci Adv. 6 (29), eaba4174 (2020).
- Dell, A. C., Wagner, G., Own, J., Geibel, J. P. 3D bioprinting using hydrogels: Cell inks and tissue engineering applications. Pharmaceutics. 14 (12), 2596 (2022).
- Ino, K., Ito, A., Honda, H. Cell patterning using magnetite nanoparticles and magnetic force. Biotechnol Bioeng. 97 (5), 1309-1317 (2007).
- Okochi, M., Matsumura, T., Honda, H. Magnetic force-based cell patterning for evaluation of the effect of stromal fibroblasts on invasive capacity in 3d cultures. Biosens Bioelectron. 42, 300-307 (2013).
- Mishriki, S., et al. Rapid magnetic 3D printing of cellular structures with mcf-7 cell inks. Research (Wash D C). 2019, 9854593 (2019).
- Ozturk-Oncel, M. O., Leal-Martinez, B. H., Monteiro, R. F., Gomes, M. E., Domingues, R. M. A. A dive into the bath: Embedded 3D bioprinting of freeform in vitro models. Biomater Sci. 11, 5462-5473 (2023).
- Sahni, G., Yuan, J., Toh, Y. C. Stencil micropatterning of human pluripotent stem cells for probing spatial organization of differentiation fates. J Vis Exp. 112, e54097 (2016).
- Joddar, B., et al. Engineering approaches for cardiac organoid formation and their characterization. Transl Res. 250, 46-67 (2022).
