A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
הפרוטוקול הנוכחי מתאר תכנון, ייצור ואפיון של מערכת מיקרופלואידית המסוגלת ליישר, לשתק ולדחוס במדויק מאות עוברי Drosophila melanogaster עם התערבות מינימלית של המשתמש. מערכת זו מאפשרת הדמיה ברזולוציה גבוהה ושחזור של דגימות לניתוח לאחר גירוי וניתן לשנות את קנה המידה שלה כך שיתאים למערכות ביולוגיות רב-תאיות אחרות.
במהלך העובר, תנועת תאים מתואמת יוצרת כוחות מכניים המווסתים את ביטוי הגנים ופעילותם. כדי ללמוד את התהליך הזה, כלים כגון שאיפה או דחיסת כיסוי שימשו כדי לעורר באופן מכני עוברים שלמים. גישות אלה מגבילות את התכנון הניסויי מכיוון שהן אינן מדויקות, דורשות טיפול ידני ויכולות לעבד רק כמה עוברים בו זמנית. למערכות מיקרופלואידיות יש פוטנציאל גדול לאוטומציה של משימות ניסיוניות כאלה תוך הגדלת התפוקה והדיוק. מאמר זה מתאר מערכת מיקרופלואידית שפותחה כדי לדחוס במדויק עוברים שלמים של Drosophila melanogaster (זבוב הפירות). מערכת זו כוללת מיקרו-ערוצים עם דפנות מעוותות המופעלות באופן פניאומטי ומאפשרת יישור עוברים, אימוביליזציה, דחיסה ואיסוף לאחר גירוי. על ידי הקבלה של מיקרו-ערוצים אלה לשבעה נתיבים, ניתן ליישם דפוסי דחיסה יציבים או דינמיים על מאות עוברי דרוזופילה בו זמנית. ייצור מערכת זו על מכסה זכוכית מאפשר גירוי מכני בו זמנית והדמיה של דגימות עם מיקרוסקופים ברזולוציה גבוהה. יתר על כן, השימוש בחומרים תואמים ביולוגית, כמו PDMS, והיכולת להזרים נוזל דרך המערכת הופכים את המכשיר הזה לבעל יכולת ניסויים ארוכי טווח עם דגימות תלויות מדיה. גישה זו גם מבטלת את הדרישה להרכבה ידנית אשר מדגישה באופן מכני דגימות. יתר על כן, היכולת לאסוף במהירות דגימות מהמיקרו-ערוצים מאפשרת ניתוחים לאחר גירוי, כולל מבחני -omics הדורשים מספרי דגימות גדולים שאינם ניתנים להשגה באמצעות גישות גירוי מכניות מסורתיות. הגיאומטריה של מערכת זו ניתנת להרחבה בקלות למערכות ביולוגיות שונות, ומאפשרת לשדות רבים ליהנות מהתכונות הפונקציונליות המתוארות כאן, כולל תפוקת דגימה גבוהה, גירוי מכני או אימוביליזציה, ויישור אוטומטי.
מערכות חיות חוות ומגיבות ללא הרף לתשומות מכניות שונות במהלך חייהן1. Mechanotransduction נקשר למחלות רבות, כולל הפרעות התפתחותיות, אובדן שרירים ועצמות, ונוירופתולוגיות באמצעות מסלולי איתות המושפעים ישירות או בעקיפין מהסביבה המכנית2. עם זאת, הגנים והחלבונים המווסתים על ידי גירוי מכני3 במסלולי האיתות המכנו-סנסיטיביים4 נותרים ברובם לא ידועים5, ומונעים את הבהרת מנגנוני הוויסות המכני וזיהוי מטרות מולקולריות למחלות הקשורות למכניוטרנסדוקציה פתולוגית 6,7 . אחד הגורמים המגבילים בהקרנת מחקרים מכניוביולוגיים על התהליכים הפיזיולוגיים הקשורים לכך הוא שימוש בתאים בודדים עם כלי תרבית קונבנציונליים במקום באורגניזמים רב-תאיים שלמים. אורגניזמים לדוגמה, כגון Drosophila melanogaster (זבוב הפירות), תרמו רבות להבנת הגנים, מסלולי האיתות והחלבונים המעורבים בהתפתחות בעלי חיים 8,9,10. אף על פי כן, השימוש בדרוזופילה ובאורגניזמי מודל רב-תאיים אחרים במחקר המכנוביולוגי הופרע על ידי אתגרים בכלים ניסיוניים. טכניקות קונבנציונליות להכנה, מיון, הדמיה או יישום גירויים שונים דורשות בעיקר מניפולציה ידנית; גישות אלה גוזלות זמן רב, דורשות מומחיות, מציגות שונות ומגבילות את תכנון הניסוי ואת גודל המדגם11. ההתקדמות המיקרוטכנולוגית האחרונה היא משאב נהדר המאפשר בדיקות ביולוגיות חדשניות עם תפוקה גבוהה מאוד ופרמטרים ניסיוניים מבוקרים מאוד12,13,14.
מאמר זה מתאר את הפיתוח של מכשיר מיקרופלואידי משופר ליישור, שיתוק ויישום מדויק של גירוי מכני בצורה של דחיסה חד-אקסיאלית למאות עוברי דרוזופילה שלמים 15 (איור 1). אינטגרציה של המערכת המיקרופלואידית עם כיסוי זכוכית אפשרה הדמיה קונפוקלית ברזולוציה גבוהה של הדגימות במהלך הגירוי. המכשיר המיקרופלואידי גם איפשר איסוף מהיר של העוברים לאחר הגירוי לבדיקות ריצה -omics (איור 2). הסברים על שיקולי העיצוב של מכשיר זה, כמו גם הייצור באמצעות ליתוגרפיה רכה ואפיון ניסיוני, מתוארים כאן. מכיוון שיצירת תבנית פרוסות סיליקון של מכשיר כזה דורשת ציפוי אחיד של פוטורססיסט עבה (עובי >200 מיקרומטר) על פני שטחים גדולים עם תעלות יחס גובה-רוחב גבוה (AR >5), שיטה זו שינתה במידה ניכרת את פרוטוקול ייצור התבנית הפוטוליתוגרפית המסורתי. בדרך זו, שיטה זו הקלה על הטיפול, ההדבקה, הציפוי, הדפוס והפיתוח של הפוטורסיסט. בנוסף, נדונים מלכודות פוטנציאליות ופתרונותיהן. לבסוף, הרבגוניות של אסטרטגיית תכנון וייצור זו הודגמה באמצעות מערכות רב-תאיות אחרות כגון תאי ביצים דרוזופילה ואורגנואידים מוחיים16.
1. הכנת תבנית פרוסות הסיליקון
2. ייצור השבב המיקרופלואידי
3. הכנת עוברי זבוב הפירות
4. הפעלת גירוי מכני על עוברי זבוב הפירות באמצעות שבב מיקרופלואידי
המערכת המיקרופלואידית מחולקת לשני תתי-תאים המופרדים על ידי דפנות PDMS מעוותות. התא הראשון הוא המערכת הנוזלית שבה עוברי דרוזופילה מוצגים, מיושרים אוטומטית, מסודרים ודחוסים. התא השני הוא מערכת גז שבה לחץ הגז משני צדי תעלות הדחיסה נשלט באמצעות מיקרו-ערוצים ללא מוצא כדי לשלוט במדויק ב...
המאמר מתאר את התפתחותו של מכשיר מיקרופלואידי ליישור, שיתוק והפעלה מדויקת של גירוי מכני על מאות עוברי דרוזופילה שלמים. השילוב של המערכת המיקרופלואידית עם כיסוי זכוכית דק איפשר הדמיה של עוברים עם מיקרוסקופיה קונפוקלית ברזולוציה גבוהה במהלך הגירוי. המכשיר המיקרופלואידי איפשר גם את אי?...
למחברים אין אינטרסים כלכליים במוצרים המתוארים בכתב יד זה ואין להם שום דבר אחר לחשוף.
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (CMMI-1946456), משרד חיל האוויר למחקר מדעי (FA9550-18-1-0262), והמכון הלאומי לבריאות (R01AG06100501A1; R21AR08105201A1).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
100 mL tri-cornered perforated plastic beakers with 60 mm Petri dishes | Fisher | 14-955-111B | Perferate with air holes |
100 mm P B <100> 0-100 500um SSP Test Grade Si Wafer | University Wafer | 452 | |
Biopsy punches | Ted Pella | 15110 | |
Bleach | Not brand specific | ||
Blunt needle set | CML Supply | 901 | |
Contact Mask Aligner | Quintel | Q4000 MA | |
Cutting mat | Dahle | Vantage 10670 | size: 24" x 36" |
Developer | Kayaku Advance Materials | SU-8 2000 | |
Direct Write Lithographer | Heidelberg | MLA100 | |
Dissecting microscope | Any commericailly availble dissecting microscope with transmitted light | ||
Glass petri dish | Fisher | FB0875713A | |
Glass slide | Warner Instruments | 64-0710 (CS-24/60) | |
HMDS Vapor Prime Oven | Yes Engineering | YES-3TA | |
NaCl | Not brand specific | ||
Oven | Labnet | I5110A | |
Paintbrush | Not brand specific | ||
PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 | |
Photoresist | MicroChem | SU-8 2100 | |
Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | |
Portable pressure source | hygger Quietest | HGD946 | |
Pressure gauge | Cole-Parmer | EW-68950-25 | |
Spin Coater | Laurell | WS-650-8B | |
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOCTS) | Sigma-Aldrich | 448931-10G | |
Triton-X 100 | Fisher | AAA16046AP | |
Tubing | Saint-Gobain | 02-587-1A | |
Ultrasonic Cleaner | Cole-Parmer | UX-08895-05 | |
Vacuum Pump | Cole-Parmer | EW-07164-87 |
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