A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
يصف البروتوكول المقدم تطوير واستخدام تقنية تلطيخ الأكتين الخيطي القائم على الفالويدين مع مجهر المسح بالليزر متحد البؤر (CLSM) لتصور بنية طبقة الخلية الملتصقة في قنوات الثقافة الديناميكية للسوائع الدقيقة وغرف الاستزراع الثابتة التقليدية للبئر الثابت. يساعد هذا النهج في تقييم التقاء طبقة الخلية ، وتكوين الطبقة الأحادية ، وتوحيد سمك الطبقة.
تحمل تجارب الموائع الدقيقة في المختبر إمكانات كبيرة للكشف عن العديد من الأفكار حول الظواهر الفسيولوجية الدقيقة التي تحدث في حالات مثل متلازمة الضائقة التنفسية الحادة (ARDS) وإصابة الرئة التي يسببها جهاز التنفس الصناعي (VILI). ومع ذلك ، فإن الدراسات في قنوات الموائع الدقيقة ذات الأبعاد الفسيولوجية ذات الصلة بالقصيبات الطرفية للرئة البشرية تواجه حاليا العديد من التحديات ، خاصة بسبب الصعوبات في إنشاء ظروف زراعة الخلايا المناسبة ، بما في ذلك معدلات تدفق الوسائط ، داخل بيئة مزرعة معينة. يصف البروتوكول المقدم نهجا قائما على الصور لتقييم بنية الخلايا الظهارية الرئوية البشرية NCI-H441 المزروعة في قناة الموائع الدقيقة غير المنفذة للأكسجين بأبعاد ذات صلة فسيولوجية بالقصيبات الطرفية للرئة البشرية. باستخدام تلطيخ الأكتين الخيطي القائم على الفالويدين ، يتم الكشف عن الهياكل الهيكلية الخلوية للخلايا بواسطة الفحص المجهري بالليزر متحد البؤر ، مما يسمح بتصور الخلايا الفردية وكذلك الطبقات. يحدد القياس الكمي اللاحق ما إذا كانت ظروف زراعة الخلايا المستخدمة تنتج طبقات أحادية موحدة مناسبة لمزيد من التجارب. يصف البروتوكول زراعة الخلايا وطرق تقييم الطبقة في قنوات الموائع الدقيقة وبيئات الآبار الثابتة التقليدية. وهذا يشمل بناء القناة ، وزراعة الخلايا والظروف المطلوبة ، والتثبيت ، والنفاذية والتلوين ، والتصوير المجهري متحد البؤر ، ومعالجة الصور ، وتحليل البيانات.
متلازمة الضائقة التنفسية الحادة (ARDS) هي حالة حادة تنشأ عن إهانة وانتشار الإصابة في حمة الرئة ، مما يؤدي إلى وذمة رئوية في الحويصلات الهوائية ، وعدم كفاية تبادل الغازات ، ونقص الأكسجة اللاحق1. هذا يبدأ دورة من إطلاق السيتوكين المؤيد للالتهابات ، وتجنيد العدلات ، وإطلاق الوسيط السام ، وتلف الأنسجة ، والذي يؤدي في حد ذاته إلى مزيد من الاستجابة الالتهابية2. بالإضافة إلى ذلك ، قد يتم تعطيل الفاعل بالسطح الرئوي ، الذي يعمل على استقرار الشعب الهوائية ويمنع الضرر الناجم عن التوظيف / إلغاء التوظيف المتكرر (R / D) ، أو جعله مختلا وظيفيا بسبب العمليات الكيميائية التي تحدث أثناء متلازمة الضائقة التنفسية الحادة ، مما يؤدي إلى مزيد من الإجهاد والإصابة في الحمة المحيطة3. في حالة حدوث ضرر كاف ، قد تكون التهوية الميكانيكية ضرورية لضمان الأوكسجين الجهازي الكافي4. ومع ذلك ، تفرض التهوية الميكانيكية تحدياتها وصدماتها الخاصة ، بما في ذلك إمكانية إصابة الرئة التي يسببها جهاز التنفس الصناعي (VILI) ، والتي تتميز بأنها إصابة لحمة الرئة بسبب الضغوط الميكانيكية المفروضة أثناء التضخم المفرط (الصدمة الزائدة) و / أو R / D لواجهة الهواء والسائل في مجرى الهواء المغلق بالسوائل (atelectrauma)5. يمكن أن يؤدي تدرج الضغط الذي تعاني منه الخلايا الظهارية المعرضة لواجهة الهواء والسائل (كما هو الحال في القصيبات الهوائية المسدودة بالسائل) في نموذج atelectrauma إلى استجابة انسداد ناشئة عن النفاذية (POOR) ، مما يؤدي إلى دورة حميدة من الإصابة6،7،8.
يمكن أن توفر التجارب في المختبر رؤى على نطاق صغير لهذه الظواهر ، لكن الدراسات الحالية في بيئات قنوات الموائع الدقيقة ذات الأبعاد ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية تواجه العديد من التحديات9. أولا ، يشكل تحسين ظروف زراعة الخلايا حاجزا كبيرا أمام الدخول لأبحاث زراعة الخلايا في بيئات الموائع الدقيقة ، حيث يوجد تقاطع ضيق تسمح فيه معلمات تدفق الوسائط ومدة الثقافة وظروف الثقافة الأخرى بتكوين طبقة الخلية المثلى. وهذا يشمل قيود الانتشار التي تفرضها الطبيعة غير المنفذة للأكسجين لحاوية قناة ثقافة الموائع الدقيقة. وهذا يستلزم دراسة متأنية لمعلمات تدفق الوسائط ، حيث أن معدلات التدفق المنخفضة يمكن أن تحرم الخلايا من الأكسجين ، خاصة تلك الأبعد عن المدخل ؛ من ناحية أخرى ، يمكن أن تدفع معدلات التدفق العالية الخلايا خارج قناة الثقافة أو تؤدي إلى تطور طبقة غير لائق أو غير متساو. ويمكن معالجة قيود الانتشار باستخدام مواد منفذة للأكسجين مثل بوليديميثيل سيلوكسان (PDMS) في جهاز استزراع السطح البيني بين الهواء والسائل (ALI)؛ ومع ذلك ، فإن العديد من قنوات زراعة الموائع الدقيقة التقليدية ، مثل تلك الخاصة بنظام استشعار مقاومة الخلايا الخلوية الكهربائية (ECIS) ، غير منفذة للأكسجين بطبيعتها ، نظرا لطبيعة العلبة المصنعة10. يهدف هذا البروتوكول إلى توفير تقنية لتحليل طبقات الخلايا المزروعة في حاوية غير منفذة للأكسجين.
عند مقارنة صلاحية ظروف الاستزراع، فإن ملاحظات خصائص طبقة محددة، مثل وجود طبقة أحادية، وطوبولوجيا السطح، والتلاقي، وتوحيد سمك الطبقة، ضرورية لتحديد ما إذا كانت طبقة الخلية التي تنتجها مجموعة معينة من ظروف الاستزراع تفي بالمواصفات المطلوبة وذات صلة بالفعل بالتصميم التجريبي. يمكن إجراء تقييم محدود بطرق مثل ECIS ، والتي تستخدم قياسات الجهد الكهربائي (الجهد) الناتج عن مقاومة التيار المتردد عالي التردد (AC) (المعاوقة) التي تفرضها الأغشية العازلة كهربائيا للخلايا المزروعة على أقطاب ذهبية داخل مجموعة التدفق. من خلال تعديل تردد التيار المتردد المطبق على الخلايا ، يمكن استهداف وفحص الخصائص الخلوية المحددة المعتمدة على التردد للخلايا وطبقات الخلايا مثل قوة التصاق السطح ، وتشكيل الوصلة الضيقة ، وتكاثر الخلايا أو التقائها11. ومع ذلك ، يصعب إلى حد ما تفسير هذه الأشكال غير المباشرة من القياسات في بداية التجربة ، وقد لا تحدد جميع الجوانب ذات الصلة بطبقة الخلية. إن مجرد مراقبة طبقة الخلية تحت مجهر تباين الطور قد يكشف عن طبيعة صفات معينة مثل التقارب. ومع ذلك ، فإن العديد من الخصائص ذات الصلة مثل وجود توحيد أحادي الطبقة وسمك الطبقة تتطلب تقييما ثلاثي الأبعاد (3D) غير ممكن مع التصوير المجهري الساطع أو تباين الطور أو التصوير المجهري الفلوري12.
كان الهدف من هذه الدراسة هو تطوير تقنية تلطيخ الأكتين الخيطي للسماح بالتحقق القائم على التصوير لطبقة أحادية وتقييم توحيد طبقة الخلية باستخدام مجهر المسح بالليزر متحد البؤر (CLSM). اعتبر الأكتين الخيطي (F-actin) هدفا مناسبا لاقتران الفلوروفور ، ويرجع ذلك جزئيا إلى الطريقة التي يتبع بها F-actin غشاء الخلية بإحكام ، مما يسمح بتقريب بصري لحجم الخليةبأكمله 13. فائدة أخرى مهمة لاستهداف F-actin هي الطريقة التي يوضح بها تلطيخ F-actin بصريا الاضطرابات أو التغيرات الهيكلية الخلوية التي تفرضها الضغوط والسلالات التي تعاني منها الخلايا. تم استخدام التثبيت المتشابك مع الفورمالديهايد الخالي من الميثانول للحفاظ على مورفولوجيا الخلايا وطبقة الخلية ، حيث تميل مثبتات التجفيف مثل الميثانول إلى تسطيح الخلايا ، مما يؤدي إلى تشويه طبقة الخلية بشكل كبير وتغيير خصائصها14,15.
لتحديد قدرة تقنية تقييم الطبقة على التخفيف من هذه التحديات ، تم استزراع الخلايا في غرف زراعة تقليدية من ثمانية آبار وكذلك في قنوات الموائع الدقيقة لتقييم الاختلافات ، إن وجدت ، في طبقات الخلايا التي تم إنتاجها. بالنسبة لآبار الاستزراع الثابتة ، تم استخدام وحدات زجاجية ذات ثماني غرف جيدة. بالنسبة لثقافة الموائع الدقيقة ، تم تحسين صفائف التدفق (طول القناة 50 مم ، العرض 5 مم ، العمق 0.6 مم) لزراعة الخلايا الظهارية للرئة البشرية (NCI-H441) في بيئة ذات أبعاد ذات صلة فسيولوجية بالقصيبات الطرفية الموجودة في المنطقة التنفسية للرئة البشرية16. في حين تم تطوير هذا البروتوكول مع وضع بيئة الاستزراع لمصفوفات تدفق ECIS في الاعتبار ، فقد ينطبق على أي بيئة ثقافة ديناميكية غير منفذة للأكسجين والتي يكون من الضروري تقييم خصائص طبقة الخلايا المستزرعة أو ظروف الاستزراع.
تم استخدام خط خلايا الرئة الظهارية البشرية NCI-H441 في الدراسة الحالية (انظر جدول المواد).
1. زراعة الخلايا في قناة الموائع الدقيقة
الشكل 1: مخطط عرض منفجر لبناء قناة الموائع الدقيقة. العنصر العلوي هو الجزء العلوي من مجموعة التدفق ، والعناصر الرمادية الرقيقة عبارة عن شرائط لاصقة ، والعناصر الزرقاء الرقيقة عبارة عن فواصل مايلر ، والعنصر السفلي هو غطاء زجاجي مستطيل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: خمسة مواقع تصوير على طول المنطقة المنتجة للطبقة باستمرار لقناة ثقافة الموائع الدقيقة. مواقع التصوير هي كما يلي: جانب المدخل ، بالقرب من المكان الذي سيكون فيه القطب الأول على صفيف التدفق السليم ؛ في منتصف الطريق بين موقع جانب المدخل ومركز القناة ؛ مركز القناة في منتصف الطريق بين المركز وموقع جانب المخرج ، وجانب المخرج ، بالقرب من المكان الذي سيكون فيه القطب الأخير على صفيف التدفق السليم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. زراعة الخلايا في الغطاء الزجاجي المكون من ثماني غرف
الشكل 3: رسم تخطيطي للغطاء الزجاجي المكون من ثماني غرف والمستخدم في تجربة زراعة الآبار الثابتة والتلوين والتصوير الذي يقارن تأثيرات كثافة بذر الخلايا الأولية ومدة الاستزراع على تكوين طبقات الخلايا. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
تسمح الطريقة المقدمة بتصور طبقات الخلايا الظهارية المستزرعة في قنوات استزراع الموائع الدقيقة وتستخدم عرضا توضيحيا في بيئات زراعة الخلايا التقليدية ذات الآبار الثابتة للتحقق من الصحة. ستكون الصور التي تم الحصول عليها موجودة على طيف من الجودة وشدة الإشارة وخصوصية الهدف الخلوي. ستظهر الصو...
يصف البروتوكول المقدم الثقافة ، والتثبيت المتشابك ، والتلوين ، والنفاذية ، والتصور المجهري متحد البؤر للخلايا الظهارية الرئوية البشرية NCI-H441 في البيئة الديناميكية لمجموعة تدفق الموائع الدقيقة أحادية القناة ، وكذلك في البيئة الثابتة لغطاء زجاجي تقليدي من ثماني غرف جيدا. مع أي بروتوكول لث...
يعلن أصحاب البلاغ عدم وجود تضارب في المصالح.
يعترف المؤلفون بآلان شيباردسون لتصميمه نمط القطع لورقة 3M اللاصقة والمايلر المستخدمة في بناء قناة الموائع الدقيقة ولاختبار معدل تدفق وسائط زراعة الخلايا وبرمجة مضخة الحقنة. تم توفير التمويل من قبل NIH R01 HL0142702 ، و NSF CBET 1706801 ، ومنحة عميد كلية نيوكومب تولين.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
A1R HD25 Confocal Microscope System | Nikon | A1R HD25 | https://www.microscope.healthcare.nikon. com/products/confocal-microscopes/a1hd25-a1rhd25/specifications |
ActinGreen 488 ReadyProbes Reagent (AlexaFluor 488 phalloidin) | Invitrogen | R37110 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/R37110 |
Adhesive Transfer Tape Double Linered | 3M | 468MP | https://gizmodorks.com/3m-468mp-adhesive-transfer-tape-sheet-5-pack/ |
Air-Tite HSW Soft-Ject Disposable Syringes | Air-Tite RL5 | 14-817-53 | https://www.fishersci.com/shop/products/air-tite-hsw-soft-ject-disposable-syringes-6/1481753#?keyword=syringe%20leur%20locking%205ml |
BAISDY 4 mil (0.1 mm) Thick Mylar Sheet | BAISDY | AS022 | https://www.amazon.ca/Stencil-Perfect-Silhouette-Machines-BAISDY/dp/B07RJJ9BNC |
Branson Ultrasonics M Series Ultrasonic Cleaning Bath | Branson Ultrasonics | 15-336-100 | https://www.fishersci.com/shop/products/m-series-ultrasonic-cleaning-bath/15336100 |
Corning Fibronectin, Human | Fisher Scientific | CB-40008 | https://www.fishersci.com/shop/products/corning-fibronectin-human-3/CB40008?keyword=true |
DPBS, calcium, magnesium | Gibco | 14040133 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/14040133?SID=srch-srp-14040133 |
ECIS Cultureware Disposable Electrode Arrays 8 x 10 ECIS Flow Array | Applied BioPhysics | 1F8x10E PC | https://www.biophysics.com/cultureware.php#1F8x10E |
Enterprise Technology Solutions UV Sterilizer Cabinet, White | Enterprise Technology Solutions | 50-211-1163 | https://www.fishersci.com/shop/products/uv-sterilizer-cabinet-white/502111163 |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Gibco | 26140079 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/26140079 |
Finnpipette F2 Variable Volume Pipettes | Thermo Scientific | 4642090 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/4642090 |
Fisherbrand 50mL Easy Reader Plastic Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 06-443-21 | https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-higher-speed-easy-reader-plastic-centrifuge-tubes-8/p-193269 |
Fisherbrand Cover Glasses: Rectangles (#1.5) | Fisher Scientific | 12-544-GP | https://www.fishersci.com/shop/products/cover-glasses-rectangles-promo-22/12544GP#coverglass |
Fisherbrand Sterile Syringes for Single Use | Fisher Scientific | 14-955-458 | https://www.fishersci.com/shop/products/sterile-syringes-single-use-12/14955458 |
Gibco RPMI 1640 Medium | Gibco | 11875093 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/11875093 |
Image-iT Fixative Solution (4% formaldehyde, methanol-free) | Invitrogen | FB002 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/FB002 |
ImageJ Fiji | ImageJ | ImageJ Fiji | https://imagej.net/downloads |
Immersion Oil F 30 cc | Nikon | MXA22168 | https://www.microscope.healthcare.nikon. com/products/accessories/immersion-oil/specifications |
Large-Capacity Reach-In CO2 Incubator, 821 L, Polished Stainless Steel | Thermo Scientific | 3950 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/3950 |
Laxco LMC-3000 Series Brightfield Compound Microscope System | Laxco | LMC3BF1 | https://www.fishersci.com/shop/products/lmc-3000-series-brightfield-compound-microscope-system-8/LMC3BF1 |
Masterflex Fitting, Nylon, Straight, Male Luer Lock to Hose Barb Adapters, 1/16" ID; 25/PK | Masterflex | ZY-45505-31 | https://www.masterflex.com/i/masterflex-fitting-nylon-straight-male-luer-lock-to-hose-barb-adapters-1-16-id-25-pk/4550531?PubID=ZY&persist=true&ip=no& gclid=Cj0KCQiA3rKQBhCNARIsAC UEW_Zb5yXy1em6bGs0a9KFOk5k pdlkHCvAEslHumdqcnlwSN0MdR0 udmwaAuDHEALw_wcB |
Microsoft Excel | Microsoft | 0016 | https://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=56547 |
National Target All-Plastic Disposable Syringes | Thermo Scientific | 03-377-24 | https://www.fishersci.com/shop/products/national-target-all-plastic-disposable-syringes/0337724#tab8 |
NCI-H441 Human Epithelial Lung Cells | American Type Culture Collection (ATCC) | HTB-174 | https://www.atcc.org/products/htb-174 |
NE-1600 Six Channel Programmable Syringe Pump | New Era Pump Systems | NE-1600 | https://www.syringepump.com/NE-16001800.php |
NIS Elements AR | Nikon | NIS Elements AR | https://www.microscope.healthcare.nikon. com/products/software/nis-elements/nis-elements-advanced-research |
NucBlue Live ReadyProbes Reagent (Hoechst 33342) | Invitrogen | R37605 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/R37605?SID=srch-srp-R37605 |
Nunc Lab-Tek Chambered Coverglass | Thermo Scientific | 155411 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/155361 |
Parafilm M Wrapping Film | Fisher Scientific | S37441 | https://www.fishersci.com/shop/products/parafilm-m-wrapping-film-3/S37441 |
PendoTech 3-Way Stopcock, Polysulfone, Male/Female Luer Inlet x Female Luer Branch | PendoTech | ZY-19406-49 | https://www.masterflex.com/i/pendotech-3-way-stopcock-polysulfone-male-female-luer-inlet-x-female-luer-branch/1940649 |
Phosphate Buffered Solution (PBS), pH 7.4 | Gibco | 10010023 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/10010023 |
Poly-D-Lysine | Gibco | A3890401 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/A3890401#/A3890401 |
Reynolds Aluminum Wrap Foil | Reynolds | 458742928317 | https://www.amazon.com/Reynolds-Wrap-Aluminum-Foil-Square/dp/B00UNT0Y2M |
Saponin | Millipore Sigma (Sigma Aldrich) | 47036 | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/47036 |
SlowFade Glass Soft-set Antifade Mountant | Invitrogen | S36917-5X2ML | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/S36917-5X2ML |
Thermo Scientific 1300 Series Class II, Type A2 Biological Safety Cabinet Package | Thermo Scientific | 13-100-752PM | https://www.fishersci.com/shop/products/1300-series-class-ii-type-a2-biological-safety-cabinet-package-promo/p-9049003#?keyword=biosafety%20hood |
Tygon Transfer Tubing, BioPharm Platinum-Cured Silicone, 1/16" ID x 1/8" OD; 50 Ft | Cole-Parmer | EW-95702-01 | https://www.coleparmer.com/i/tygon-transfer-tubing-biopharm-platinum-cured-silicone-1-16-id-x-1-8-od-50-ft/9570201?searchterm=95702-01 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved