Manyetik-Arşimet Stratejisini Kullanarak Hücre Modellemesi
Summary
Bu protokol, Manyetik Arşimet etkisine dayalı mürekkepsiz, etiketsiz, substrattan bağımsız, yüksek verimli bir hücre desenleme yöntemini açıklar.
Abstract
Hücre konumlandırmasının hassas kontrolüne izin veren hücre modellemesi, hücre davranışının incelenmesinde benzersiz bir avantaj sunar. Bu protokolde, Manyetik-Arşimet (Mag-Arch) etkisine dayalı bir hücre modelleme stratejisi tanıtılmaktadır. Bu yaklaşım, mürekkep malzemeleri veya etiketleme parçacıkları kullanılmadan hücre dağılımının hassas bir şekilde kontrol edilmesini sağlar. Hücre kültürü ortamının manyetik duyarlılığını arttırmak için bir paramanyetik reaktif ekleyerek, hücreler mıknatıslar tarafından itilir ve kendilerini mikroakışkan substratın altına yerleştirilmiş mıknatıs setlerini tamamlayıcı bir desen halinde düzenler.
Bu makalede, Mag-Arch tabanlı stratejiyi kullanarak hücre modellemesi için ayrıntılı prosedürler sağlanmıştır. Tek hücreli tiplerin yanı sıra ko-kültür deneyleri için çoklu hücre tiplerini modelleme yöntemleri sunulmaktadır. Ek olarak, hücre modellemesi için kanallar içeren mikroakışkan cihazların imalatı için kapsamlı talimatlar sağlanmıştır. Paralel yöntemler kullanarak bu özelliği elde etmek zordur ancak basitleştirilmiş ve uygun maliyetli bir şekilde yapılabilir. Mag-Arch tabanlı hücre modellemesinin kullanılması, araştırmacıları in vitro araştırmalar için güçlü bir araçla donatır.
Introduction
Hücre modelleme, in vitro çalışmalar için sezgisel ve güçlü bir teknolojiye dönüşüyor1. Kültür plakalarındaki hücre konumlarını manipüle ederek, hücre göçü2, biyomimetik çok hücreli ko-kültür3, organoid montajı4, biyomateryal çalışmaları5 ve daha fazlası dahil olmak üzere çeşitli deneyler için çözümler sunar. Çoğu durumda, hücre desenleme için mürekkepsiz, etiketsiz bir yöntem tercih edilir, çünkü sonraki araştırmalar için kullanım kolaylığı ve yüksek hücre canlılığı sunar.
Mag-Arch etkisi, paramanyetik sıvılardaki diyamanyetik nesnelerin zayıf manyetik alanlara sahip bölgelere doğru hareket etme eğiliminde olduğu fiziksel bir olgudur6. Canlı hücreler doğal olarak diyamanyetiktir, hücre kültürü ortamı ise kontrast madde olarak nükleer manyetik rezonans görüntülemede intravenöz olarak yaygın olarak kullanılan gadopentetat dimeglumin (Gd-DTPA) gibi çözünür paramanyetik elementler eklenerek paramanyetik hale getirilebilir7. Sonuç olarak, hücrelerin çevredeki paramanyetik ortam tarafından itilmesi ve manyetik alanların daha zayıf olduğu bölgelere doğru hareket etmesi beklenir8. Desenli bir manyetik alan, bir dizi neodimyum mıknatıs kullanılarak kolayca oluşturulabilir. İdeal olarak, hücre desenleri mıknatıs desenlerine zıt olarak birleştirilir. Teknik olarak bu, etiketsiz bir yöntem olarak tanımlanır, çünkü tek ek reaktif olan Gd-DTPA, hücre dışı ortamda kalır ve hücrelere bağlanmaz. Böylece, sonraki hücre kültürü üzerindeki potansiyel etkiler, kültür ortamının değiştirilmesiyle kolayca önlenebilir. Diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında 1,3,9,10, Mag-Arch tabanlı strateji, hücreleri pozitif olarak etiketlemek için biyo-mürekkep bileşenleri veya belirli parçacıkların uygulanmasını gerektirmez. Ayrıca, hücre yapışması için birden fazla substrat üzerinde çalıştığı ve yüksek verimli hücre modelleme yeteneğine sahip olduğugösterilmiştir 4.
Bu makale, cihaz imalatından hücre modelinin ayarlanmasına kadar her şeyi kapsayan, Mag-Arch tabanlı yöntemi kullanarak hücre modellemesi için ayrıntılı bir protokol sunar. Gösterdiğimiz desenlere ek olarak, kullanıcılar mıknatıslar ve Gd-DTPA çözümü kullanarak kolayca çeşitli hücre desenleri oluşturabilirler. Ayrıca, karmaşık ko-kültür kalıplarının birleştirilmesi ve kapalı mikroakışkan çiplerde hücrelerin manipüle edilmesi için protokoller de sağlanmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mag-Arch tabanlı hücre modellemesi, çoğu biyomedikal laboratuvar için kullanıcı dostu bir çözüm sunar. Bu yöntem, mürekkepsiz, etiketsiz, alt tabakadan bağımsız karakterlere ve yüksek verimli desenleme yeteneğine paralel olarak ilerler 8,13. Tek tip hücre deseni için, hücreleri tek adımlı bir şekilde desenlendirir. Prosedür sadece kültür ortamlarının yenilenmesiyle sona erer.
Önceki çalışmalar, hücreler…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Anahtar Ar-Ge Programı (2021YFA1101100), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (32000971), Merkezi Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları (No. 2021FZZX001-42) ve Zhejiang Üniversitesi Şanghay İleri Araştırma Enstitüsü Yıldızlı Gece Bilim Fonu (Hibe No. 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).
