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Method Article
Die Elektroporation mit porösen Substraten (PSEP) kombiniert eine konsistente Abgabe mit hohem Durchsatz und einer hohen Zellviabilität. Die Einführung von transepithelialen elektrischen Impedanzmessungen (TEEI) gibt Einblick in die Zwischenprozesse von PSEP und ermöglicht eine markierungsfreie Verabreichung. In diesem Artikel wird eine Methode zur gleichzeitigen Durchführung von PSEP-Verabreichungsexperimenten und TEEI-Messanalysen erläutert.
Die Elektroporation poröser Substrate (PSEP) ist eine aufstrebende Methode der Elektroporation, die einen hohen Durchsatz und eine gleichmäßige Abgabe bietet. Wie viele andere Arten der intrazellulären Verabreichung stützt sich PSEP stark auf Fluoreszenzmarker und Fluoreszenzmikroskopie, um eine erfolgreiche Verabreichung zu bestimmen. Um einen Einblick in die Zwischenschritte des Elektroporationsprozesses zu erhalten, wurde eine PSEP-Plattform mit integrierter transepithelialer elektrischer Impedanzüberwachung (TEEI) entwickelt. Die Zellen werden in kommerziell erhältlichen Inserts mit porösen Membranen kultiviert. Nach einer Inkubationszeit von 12 Stunden, um die Bildung einer vollständig konfluenten Zellmonoschicht zu ermöglichen, werden die Inserts in Transfektionsmedien gelegt, die sich in den Vertiefungen des PSEP-Geräts befinden. Die Zellmonoschichten werden dann einer benutzerdefinierten Wellenform unterzogen, und die Abgabeeffizienz wird durch Fluoreszenzmikroskopie bestätigt. Dieser Arbeitsablauf kann mit TEEI-Messungen zwischen Puls- und Fluoreszenzmikroskopie erheblich verbessert werden, um zusätzliche Daten über den PSEP-Prozess zu sammeln, und diese zusätzlichen TEEI-Daten werden mit Verabreichungsmetriken wie Verabreichungseffizienz und Durchführbarkeit korreliert. In diesem Artikel wird ein Protokoll für die Durchführung von PSEP mit TEEI-Messungen beschrieben.
Die Elektroporation ist eine Technik, bei der Zellen einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, wodurch temporäre Poren in der Zellmembran entstehen, durch die Frachten, einschließlich Proteine, RNA und DNA, gelangen können 1,2. Die am weitesten verbreitete Variante ist die Bulk-Elektroporation (BEP). Die BEP wird durchgeführt, indem eine Küvette mit einem Elektrolyten gefüllt wird, der Millionen von Zellen enthält, der Elektrolyt einer Hochspannung ausgesetzt wird und die Fracht durch Diffusion oder Endozytosein die Zellen gelangt 1. BEP bietet viele Vorteile, darunter einen hohen Durchsatz und zahlreiche kommerziell erhältliche Systeme. Es gibt jedoch Einschränkungen bei der BEP-Lieferung. Eine inkonsistente Zellpositionierung relativ zu den Elektroden und die Abschirmung des elektrischen Feldes von benachbarten Zellen führen zu einer signifikanten Variabilität der Exposition gegenüber elektrischen Feldern während BEP 3,4. Die für BEP erforderliche hohe Spannung hat auch einen erheblichen negativen Einfluss auf die Lebensfähigkeit der Zellen5. Seit ihrer Einführung im Jahr 20116 besteht ein wachsendes Interesse an einer Elektroporationsmethode, die als poröse Substratelektroporation (PSEP) bezeichnet wird, obwohl sie manchmal auch mit anderen Namen bezeichnet wird, darunter lokalisierte Elektroporation und Nano- oder Mikroelektroporation 1,7,8. Im Gegensatz zur Zellsuspension von BEP wird PSEP an Zellen durchgeführt, die an einem porösen Substrat haften. Nicht nur, dass für die Mehrzahl der menschlichen Zelllinien9 ein adhärenter Zustand bevorzugt ist, sondern die Poren im Substrat fokussieren sich auch auf den elektrischen Strom, wodurch das elektrische Transmembranpotential (TMP) in spezifischen Regionen der Zellmembranlokalisiert wird 10,11. Diese Lokalisierung ermöglicht eine signifikante Reduzierung der angelegten Spannung, eine Verringerung der Beschädigung und eine Erhöhung der Zellviabilität. Diese Kombination von Effekten hilft, die Porenentwicklung der Zellmembran zu kontrollieren, was zu einer konsistenteren und effizienteren Abgabe führt 1,5,12.
In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde ein PSEP-Gerät mit einem vergoldeten Elektrodenarray mit sechs Vertiefungen zum Halten von kommerziell erhältlichen porösen Membraneinsätzen13 vorgestellt (Abbildung 1A,B), eine Praxis, die erstmals von Vindis et al. eingeführt wurde14. Das Gerät kann Impulse anlegen und die elektrische Impedanz über die Zellmonoschicht, die als transepitheliale elektrische Impedanz (TEEI) bezeichnet wird, in Echtzeit messen13. Die Benutzeroberfläche des Geräts ermöglicht die vollständige Kontrolle über die Wellenform und Polarität der Elektroporation. Wichtig ist, dass Echtzeit-Impedanzmessungen verwendet werden können, um die Verabreichungsergebnisse vorherzusagen, ohne dass teure Reagenzien oder Fluoreszenzmarker erforderlich sind, ein Konzept, das als markierungsfreie Verabreichung bekannt ist15.
Die PSEP-Plattform besteht aus zwei großen kundenspezifischen elektrischen Komponenten: dem Hauptkörper des Geräts, in dem sich der Impulsgenerator und die TEEI-Messgeräte befinden, und dem Elektrodenarray, in das die porösen Substrate eingebracht werden und die Elektroporation stattfindet. Diagramme für alle kundenspezifischen Elektronikgeräte und 3D-gedruckten Komponenten finden Sie auf GitHub: https://github.com/YangLabUNL/PSEP-TEEI. Neben der kundenspezifischen Elektronik ist auch ein Computer erforderlich, damit die Plattform ordnungsgemäß funktioniert. Die benutzerdefinierte Software erfordert MATLAB (Version 2021a oder höher), um ausgeführt zu werden, und Microsoft Excel, um Daten für die Analyse zu speichern und darauf zuzugreifen. Das Programm steuert die kundenspezifische Elektronik und stellt die grafische Benutzeroberfläche (GUI) zum Anpassen von Einstellungen zur Verfügung. Diese Programme wurden auch auf GitHub zur Verfügung gestellt: https://github.com/YangLabUNL/PSEP-TEEI.
Vorläufige Daten deuten darauf hin, dass dieser Prozess für verschiedene Arten von adhärenten Zellen möglich ist (Abbildung 1C), aber in diesem Artikel wird nur die Präparation von A431-Zellen unter Verwendung von Parametern behandelt, die von Brooks et al. als optimal für diese Zelllinie befunden wurden.13. Da die Propidiumiodid (PI)-Fracht zytotoxisch ist, werden außerdem zwei Experimente durchgeführt, das erste mit einem hochkonzentrierten PI-Transfektionsmedium zur Quantifizierung der Verabreichungseffizienz und das zweite nur mit Zellkulturmedien zur Messung von TEEI über längere Zeiträume. Bei diesen Experimenten werden identische Elektroporationswellenformen verwendet, so dass die Ergebnisse korreliert werden können (Abbildung 1D).
Abbildung 1: Montagediagramm des Elektrodenarrays und grundlegende Daten. (A) CAD-Modell eines Einsatzes in einer Vertiefung des Elektrodenarrays. (B) CAD-Modell des Elektrodenarrays. (C) Impedanzerhöhung aufgrund von PSEP für ausgewählte Zelllinien, n = 3 pro Zelllinie. Fehlerbalken: Standardfehler des Mittelwerts. (D) Liefereffizienz vs. TEEI erhöhen die Korrelationsdaten. Die Verabreichungseffizienz wurde berechnet, indem die Anzahl der Zellen, die sowohl in PI- als auch in Calstein-Bildern aus Verabreichungsexperimenten markiert waren, durch die Gesamtzahl der mit Hoechst identifizierten Zellen dividiert wurde. Die Zellzahl wurde mit einer benutzerdefinierten CellProfiler-Pipeline bestimmt, n = 6 pro Spannung. Fehlerbalken: (x- und y-Achse) Standardfehler des Mittelwerts. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Brooks et al.13 übernommen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die Einzelheiten zu den Reagenzien und der in der Studie verwendeten Ausrüstung sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Vorbereitung der Reagenzien und Zellkultur
2. Vorbereitung der Probe
3. Experimentelles Vorgehen
4. Datenanalyse
Das vorliegende Protokoll etabliert eine Methode zur Verwendung von TEEI-Messungen, um die Zwischenprozesse der Elektroporation zu untersuchen und Vorhersagen über die Verabreichung zu treffen, insbesondere für die A431-Zelllinie und die PI-Fracht. Während die Modifikation dieses Protokolls in diesem Artikel weiter diskutiert wird, ist es wichtig zu beachten, dass sich die spezifischen Werte zwar ändern können, die allgemeinen Trends in der Reaktion jedoch konsistent bleiben. Zum Be...
Abbildung 2C zeigt, dass TEEI-Anstiege von der Minimal- und die Abnahme gegenüber dem Ausgangswert für jede PSEP-Wellenformspannung aufgetragen werden. Die TEEI-Erhöhung erzeugt einen Parabolbogen, der einen Spitzenwert von etwa 20 Volt erreicht, bevor er abnimmt, während die TEEI-Abnahme gegenüber der Grundlinie mit steigender Spannung exponentiell ansteigt. Der Förderwirkungsgrad und der Todesprozentsatz in Abbildung 2D ...
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Wir danken für die finanzielle Unterstützung durch die NSF (Awards 1826135, 1936065, 2143997), die NIH National Institutes of General Medical Sciences P20GM113126 (Nebraska Center for Integrated Biomolecular Communication) und P30GM127200 (Nebraska Center for Nanomedicine), die Nebraska Collaborative Initiative und die Voelte-Keegan Bioengineering Support. Das Gerät wurde in der NanoEngineering Research Core Facility (NERCF) hergestellt, die teilweise von der Nebraska Research Initiative finanziert wird.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
15 mL Conical Centrifuge Tube | Thermo Scientific | 339651 | |
2-Chip Disposable Hemocytometer | Bulldog Bio | DHC-N01 | |
75 cm2 Tissue Culture Flask | fisherbrand | FB012937 | |
A431 Cells | ATCC | CRL-1555 | |
Calcein AM | Invitrogen | C3099 | |
Class II Type A2 Biosafety Cabinet | Labgard | NU-543-600 | |
Custom Components | YangLab | https://github.com/YangLabUNL/PSEP-TEEI | |
Disposable Centrifuge Tube (50 mL) | fisherbrand | 05-539-6 | |
DMEM | Gibco | 11965092 | |
Fetal Bovine Serum | Gibco | A5670401 | |
Fluid Aspiration System | vacuubrand | 20727403 | |
HERACELL 240i | Thermo Scientific | 51026331 | |
Hoechst 33342 | Thermo Scientific | 62249 | |
Human Plasma Fibronectin | Sigma-Aldrich | FIBRP-RO | |
Inverted Fluorescent Microscope | Zeiss | 491916-0001-000 | |
Inverted Microscope | Labomed | TCM 400 | |
PBS | cytiva | SH30256.02 | |
PCR Tube 200 µL | Sarstedt | 72.737 | |
Penicillin / Streptomycin | Gibco | 15140148 | |
Pipette (0.2-2 µL) | fisherbrand Elite | FBE00002 | |
Pipette (100-1000 µL) | fisherbrand Elite | FBE01000 | |
Pipette (20-200 µL) | fisherbrand Elite | FBE00200 | |
Pipette (2-20 µL) | fisherbrand Elite | FBE00020 | |
Propidium Iodide | Invitrogen | P1304MP | |
Reaction Tube 1.5 mL | Sarstedt | 72.690.300 | |
Sorvall ST 16R Centrifuge | Thermo Scientific | 75004240 | |
Thincert (24-well) | Greiner Bio-One | 662 641 | 0.4 µm pore diameter, 2x106 cm-2 pore density, transparent PET |
Tissue Culture Plate (24-well) | fisherbrand | FB012929 | |
Trypan Blue Solution | Sigma-Aldrich | T8154-20mL | |
Trypsin | Gibco | 15090046 |
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