Celpatronen met behulp van magnetische-Archimedes-strategie
Summary
Dit protocol beschrijft een inktvrije, labelvrije, substraatonafhankelijke, high-throughput celpatroonmethode op basis van het magnetische Archimedes-effect.
Abstract
Celpatronen, die nauwkeurige controle van de celpositionering mogelijk maken, bieden een uniek voordeel bij de studie van celgedrag. In dit protocol wordt een celpatroonstrategie geïntroduceerd op basis van het Magnetisch-Archimedes (Mag-Arch) effect. Deze aanpak maakt een nauwkeurige controle van de celverdeling mogelijk zonder het gebruik van inktmaterialen of etiketteringsdeeltjes. Door een paramagnetisch reagens in te brengen om de magnetische gevoeligheid van het celkweekmedium te vergroten, worden cellen afgestoten door magneten en rangschikken ze zich in een patroon dat complementair is aan de magneetsets die zich onder het microfluïdische substraat bevinden.
In dit artikel worden gedetailleerde procedures gegeven voor het maken van celpatronen met behulp van de op Mag-Arch gebaseerde strategie. Er worden methoden aangeboden voor het modelleren van eencellige typen en voor meerdere celtypen voor co-cultuurexperimenten. Daarnaast worden uitgebreide instructies gegeven voor het vervaardigen van microfluïdische apparaten die kanalen bevatten voor celpatronen. Het bereiken van deze functie met behulp van parallelle methoden is een uitdaging, maar kan op een vereenvoudigde en kosteneffectieve manier worden gedaan. Door gebruik te maken van op Mag-Arch gebaseerde celpatronen krijgen onderzoekers een krachtig hulpmiddel voor in-vitro-onderzoek .
Introduction
Celpatronen evolueren naar een intuïtieve en krachtige technologie voor in vitro studies1. Door celposities in kweekplaten te manipuleren, biedt het oplossingen voor een verscheidenheid aan experimenten, waaronder celmigratie2, biomimetische meercellige co-cultuur3, organoïde-assemblage4, biomateriaalstudies5 en meer. In de meeste situaties heeft een inktvrije, labelvrije methode de voorkeur voor celpatronen, omdat deze bedieningsgemak en een hoge cellevensvatbaarheid biedt voor latere onderzoeken.
Het Mag-Arch-effect is een natuurkundig fenomeen waarbij diamagnetische objecten in paramagnetische vloeistoffen de neiging hebben om naar gebieden met zwakke magnetische velden te bewegen6. Levende cellen zijn van nature diamagnetisch, terwijl celkweekmedia paramagnetisch kunnen worden gemaakt door oplosbare paramagnetische elementen toe te voegen, zoals gadopentetaat dimeglumine (Gd-DTPA), dat vaak intraveneus wordt gebruikt in beeldvorming met nucleaire magnetische resonantie als contrastmiddel7. Bijgevolg wordt verwacht dat cellen worden afgestoten door het omringende paramagnetische medium en zich verplaatsen naar gebieden waar magnetische velden zwakker zijn8. Een magnetisch veld met een patroon kan eenvoudig worden opgewekt met behulp van een set neodymiummagneten. Idealiter worden celpatronen geassembleerd in tegenstelling tot de magneetpatronen. Technisch gezien wordt dit gedefinieerd als een labelvrije methode omdat het enige extra reagens, Gd-DTPA, in de extracellulaire omgeving blijft en niet aan cellen bindt. Mogelijke invloeden op de volgende celkweek kunnen dus gemakkelijk worden vermeden door het kweekmedium te vervangen. In vergelijking met andere methoden 1,3,9,10, vereist de op Mag-Arch gebaseerde strategie geen bio-inktcomponenten of de toepassing van specifieke deeltjes om de cellen positief te labelen. Bovendien is aangetoond dat het werkt op meerdere substraten voor celadhesie en in staat is tot celpatronen met een hoge doorvoer4.
Dit artikel presenteert een gedetailleerd protocol voor het maken van celpatronen met behulp van de op Mag-Arch gebaseerde methode, waarbij alles aan bod komt, van de fabricage van apparaten tot het aanpassen van het celpatroon. Naast de patronen die we hebben gedemonstreerd, kunnen gebruikers eenvoudig verschillende celpatronen maken met behulp van magneten en een Gd-DTPA-oplossing. Verder zijn er ook protocollen voor het assembleren van complexe co-cultuurpatronen en het manipuleren van cellen in ingesloten microfluïdische chips.
Protocol
Representative Results
Discussion
De op Mag-Arch gebaseerde celpatronen bieden een gebruiksvriendelijke oplossing voor de meeste biomedische laboratoria. Deze methode gaat parallel aan karakters van inktvrij, labelvrij, substraatonafhankelijk en de mogelijkheid voor high-throughput patronen 8,13. Voor mono-type celpatronen worden cellen in één stap gemodelleerd. De procedure eindigt eenvoudig met het opfrissen van kweekmediums.
Eerdere studies hebben magnetische deel…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie wordt financieel ondersteund door het National Key R&D-programma van China (2021YFA1101100), de National Natural Science Foundation of China (32000971), de Fundamental Research Funds for the Central Universities (nr. 2021FZZX001-42) en het Starry Night Science Fund van het Zhejiang University Shanghai Institute for Advanced Study (subsidienr. 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).
