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Dispositivo compartimentazione microfluidi staminali per studiare la migrazione delle cellule tumorali è descritto. Questa nuova piattaforma crea un microambiente vitale cellulare e consente la visualizzazione microscopica di locomozione cellule vive. Altamente mobili le cellule tumorali sono isolate per lo studio dei meccanismi molecolari di infiltrazione aggressivi, che possono portare a terapie più efficaci in futuro.
Negli ultimi 40 anni, gli Stati Uniti hanno investito più di 200 miliardi di dollari per la ricerca sul cancro, causando solo una diminuzione del 5% del tasso di mortalità. Uno dei principali ostacoli per migliorare i risultati dei pazienti è la scarsa comprensione dei meccanismi alla base della migrazione cellulare associato a cellule di cancro aggressiva invasione, metastasi e la resistenza terapeutica 1. Glioblastoma Multiforme (GBM), la più diffusa maligno primitivo tumore al cervello adulto 2, esemplifica questa difficoltà. Nonostante standard di chirurgia, radioterapia e chemioterapia, il paziente sopravvivenza media è di soli quindici mesi, a causa di infiltrazioni GBM aggressiva nel cervello adiacente e recidiva tumorale rapida 2. Le interazioni di meccanismi cellulari aberranti migratori e il microambiente tumorale probabile differenziare il cancro dalle cellule normali 3. Pertanto, migliorando approcci terapeutici per GBM richiedono una migliore comprensione dei meccanismi di migrazione di cellule tumorali. Un recente lavoro suggerisce thata piccola sottopopolazione di cellule all'interno GBM, il tumore cerebrale cellule staminali (BTSC), può essere responsabile della resistenza terapeutica e recidiva. I meccanismi alla base BTSC capacità migratoria stanno solo cominciando a essere caratterizzati 1,4.
A causa di una limitazione di ispezione visiva e la manipolazione geometrica, saggi di migrazione convenzionali 5 sono limitato a quantificare popolazioni cellulari in generale. Al contrario, i dispositivi microfluidici consentire l'analisi singola cellula a causa della compatibilità con la microscopia moderna e il controllo micro-ambiente 6-9.
Vi presentiamo un metodo per la caratterizzazione dettagliata della migrazione BTSC utilizzando compartimentare dispositivi microfluidici. Questi dispositivi PDMS-made lanciare l'ambiente coltura di tessuti in tre compartimenti collegati: semina camera, camera di ricevimento e bridging microcanali. Abbiamo adattato il dispositivo in modo che entrambe le camere contengono supporti sufficienti per sostenere BTSC vitali per 4-5 days senza supporto di scambio. BTSCs altamente mobili inizialmente introdotti nella camera di semina sono isolati dopo la migrazione se bridging microcanali paralleli alla camera ricevente. Questa migrazione simula cancro diffusione cellulare attraverso gli spazi interstiziali del cervello. Le immagini di fase diretta di morfologia cellulare durante la migrazione sono registrati nell'arco di diversi giorni. BTSC altamente migratorie può quindi essere isolato, recultured, e analizzato ulteriormente.
Microfluidica compartimentazione può essere una piattaforma versatile per studiare il comportamento migratorio degli BTSCs e di altre cellule staminali del cancro. Grazie alla combinazione di generatori di pendenza, la gestione dei fluidi, micro-elettrodi e altri moduli di microfluidica, questi dispositivi possono essere utilizzati anche per lo screening di stupefacenti e la diagnosi delle malattie 6. Isolamento di una sottopopolazione di cellule migratorie aggressiva possono consentire lo studio di meccanismi molecolari alla base.
1. Cella BTSC di dissociazione
BTSCs sono derivati da preesistenti colture coltivate in terreno privo di siero cellule staminali come neurosfere. cultura di cui è descritto in precedenza 10, 11.
2. Fabbricazione di bi-strati SU-8 master e stampaggio di timbro PDMS (vedi figura 1)
Usiamo litografia ottica e litografia morbida per fabbricare SU-8 master e PDMS timbro, che sono essenziali per il montaggio dei dispositivi microfluidici. Leggermente diversa rispetto alla procedura standard 12, la SU-8 master è composto da due strati. Le 3-micron-alte microcanali sono fusi nel primo / basso livello precoce del processo, mentre i 250 micron-alte camere di semina e la ricezione sono nel secondo strato / superiore. Al fine di un corretto collegamento tra due compartimenti coltura (microcanalis e camere), i due strati devono essere accuratamente allineati in posizione. Tuttavia, lo spessore e l'opacità del secondo strato sono grandi abbastanza per bloccare il fiducial / ottica allineatore di accedere alle caratteristiche del fondale. Qui progettiamo le maschere con marker fiduciali in remoto posizionato. Così, questi marcatori nel primo strato può essere selettivamente schermati, mentre gira il secondo strato. Come risultato, entrambi gli strati di caratteristiche sono realizzati in un master e pronto per lo stampaggio in bassorilievo del timbro PDMS.
3.Assemblaggio dei dispositivi microfluidici e coltura cellulare (figura 2)
Per cellule di coltura, caratteristica inciso timbro PDMS è attaccato ad un vetrino coprioggetto per formare canali chiusi. Ingressi e le uscite vengono creati per il caricamento della cultura / media. Nel frattempo, la pulizia e altre procedure per il substrato di vetro e il timbro PDMS sono necessarie per garantire la cellula-compatibilità.
4. A lungo termine time-lapse imaging di BTSC migrazione con BioStation IM (Nikon Instruments Inc, Melville, USA).
Combinando fotocamera, software e incubatore in un unico pacchetto, questo sistema microscopico permette di cultura dell'immagine cella senza disturbo per giorni. Inoltre, il suo design unico motore sposta la lente obiettivo e mantiene fase stazionaria campione nel punto in visita funzione. Questo lo rende pratico per esperimenti immagine parallele e cellule locomozione traccia in saggio ad alta prestazione.
5. Rappresentante dei risultati:
Esempi di ispezione visiva e caratterizzazione della migrazione delle cellule tumorali, utilizzando un dispositivo microfluidico compartimentazione sono illustrati nella Figura 3 e Figura 4. La cellula-line è BTSC. Con la nostra configurazione attuale, immagini fase di coltura cellulare può essere registrata in continuo per il tempo 5 giorni (Figura 3) e frequente come ogni 2 secondi (Figura 4). 5 giorni solo, terreni di coltura devono essere sostituiti per il rifornimento dei nutrienti e rifiuti rimossi. La nostra lunga time-lapse identifica una sequenza di rotazione di sei fasi cellulari durante la sua migrazione in base ai cambiamenti morfologici. Come illustrati nella figura 3, li descrivono come (i) pre-migrazione, (ii) l'iniziazione, (iii) percorso di esplorazione, (iv) di crociera, (v)-destinazione exloration e (vi) post-migrazione. Nella camera di ricezione, cellule fusiformi rimanere nello stadio (i), come nei tumori sfusi che sono in grado di crescere, dividere e migrano gradualmente. Mentre si avvicinano all'entrata microcanali, alcune cellule procedere alla fase (ii) quando si espandono e generano protrusione adesivo. Solo uno di essi è in grado di occupare l'ingresso e procedere alla fase (iii), che può esplorare la direzione di migrazione. Una volta che la cella determina la direzione di migrazione, si procede alla fase (iv) per crociera attraverso il microcanale in una velocità costante ed elevata, che viene effettuata attraverso l'intera microcanali. Alla fine di microcanali, procede cellule allo stadio (v) per esplorare lo spazio aperto della camera di ricevimento, e quindi alla fase (vi). A microcanali, potenza migrazione è principalmente generata da blebbing attività come illustrato in figura 4, simile a quella di ameboide cell. Blebbing cellulare e deformazione della membrana sono registrati integralmente qui.
Figura 1. Schema di fabbricazione del dispositivo microfluidica. L'intero processo viene eseguito su un 3-inch wafer di silicio manico attraverso una tecnica modificata di litografia morbida. 3-micron-alti microcanali e marcatori di allineamento sono come nel primo strato. Poi 250-micron di spessore su-8 è spin-rivestito, mentre i segni di allineamento sono coperti con nastro adesivo, in modo tale che essi possono poi essere accessibile a mascherare allineatore senza vista-blocco da photoresist di spessore. Pertanto, le caratteristiche della camera può essere fatto come secondo strato e accuratamente allineato al primo strato. Timbro PDMS viene infine stampato fuori il maestro risultante.
Figura 2. Schema di montaggio del dispositivo e semina processo cellulare. Circondata da PDMS e glcoprioggetto culo, lo spazio di coltura 3D è composto da camere, serbatoi e microcanali. La camera di semina è riempito con colture cellulari, mentre la camera di ricezione è inizialmente riempito con cellule libere media. I microcanali che collegano tra di loro fornire sentiero cella migrazione da parte semina a lato per ricevere.
Figura 3. BTSC migrazione attraverso microcanali. Tomaia: istantanee di time-lapse mostra una singola cella (evidenziato in verde) migra oltre 400 micron dal lato semina al lato ricevente. L'intero percorso è di circa 2 giorni, che coinvolge una serie di cambiamenti morfologici delle cellule. La barra della scala è di 40 micron. Bassa: una rappresentazione del fumetto di sei fasi di migrazione. Pre-migrazione (i): In camera di semina, le cellule fusiformi e divisibile gradualmente migrare lungo l'altro. Le cellule vicino race ingresso microcanali con l'altro di polarizzazione corpo cellulare e e xerting sporgenza lamellipodi. Apertura (ii): La cella migratorio con la maggiore capacità occupa l'ingresso del canale mentre i suoi concorrenti si ritirerà. Path-esplorazione (iii): Le alterazioni cellulari migratori verso una modalità ameboide con polarità poco. Questa modalità di migrazione è estremamente mobili e capaci di esplorare percorso in tutte le direzioni da blebbing piccole sporgenze membrana. Crociera (iv): Una volta che il percorso di migrazione è determinato, la cellula si trasforma in una modalità ameboide adattato mantenendo una sporgenza complementare intestazione grande avanti. In questo modo, sostiene una motilità cellulare elevata nonché una direzione e velocità costante. Destinazione-esplorazione (v): Al percorso-end, il cellulare rallenta e si sviluppa filopodias per esplorare la camera di ricezione per qualsiasi destinazione invasione. Post-migrazione (vi): Dopo essere entrati nella camera ricevente, si trasforma in cellula a forma di stella e mantiene alta la motilità, ma senza una direzione determinata.
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. Istantanee Figura 4 su time-lapse mostrano il ciclo di blebbing deformazione attività e membrana di un BTSC: (AB). iniziazione; (BD). Espansione; (DF). Svincolo. Le frecce e la curva-linee rappresentano la direzione e la posizione della deformazione della membrana, rispettivamente. Le istantanee vengono raccolti ogni 8 secondi.
Il dispositivo microfluidico e registrazione dell'immagine tecnica qui presentata consente una caratterizzazione visiva di morfologia cellulare durante la migrazione. Rispetto ai metodi convenzionali esistenti, la piattaforma microfluidica offre vantaggi di costo-efficacia, ad alta velocità e flessibilità di progettazione. Il sistema presentato permette visualizzazione microscopica studio e registrazione di lungo termine migrazione cellulare vivo. L'obiettivo motorizzato funzione consente di monitorare i percorsi di migrazione più in una immagine ad alta risoluzione senza disturbare il campione.
Durante l'assemblaggio del dispositivo, il timbro PDMS è non permanentemente legato alla coprioggetto per la comodità di rivestimento PDL (passo 3.4). E 'fondamentale per ottenere una buona tenuta per il successo di questo protocollo. Contaminazione introdotta dalla fabbricazione del dispositivo, quali bolle d'aria nella timbro o polvere / detriti sul substrato, può compromettere il legame e causare fuoriuscita di liquido. Pertanto, TREATIng il dispositivo in un locale senza polvere modo è importante per evitare guasti al dispositivo. Prima della PDL-coating, i vetrini sono acido nitrico e la soluzione trattata PDL viene centrifugata per eliminare la polvere / detriti. Troviamo scotch, alcool risciacquo, e bagno di acqua molto utile nella rimozione di polvere / detriti dal timbro PDMS, se una camera pulita non è accessibile. Dopo il timbro PDMS in contatto con il coprioggetto di vetro, toccando il timbro delicatamente con una pinzetta facilita la tenuta.
BTSCs può essere arricchito da campioni umani sala operatoria attraverso la cultura sfera nel mezzo delle cellule staminali, simile alla cultura delle normali cellule staminali neurali 10. BTSCs arricchiti in questo modo dimostrano di cellule staminali proprietà simili, come ad esempio l'espressione di marcatori di cellule staminali (CD133, nestina), la differenziazione a più linee neurali (gliale e neuronale), e l'iniziazione tumorale in un modello di topo ortotopico immunodeficienti con un minimo di 100 cellule 18. Anche se alcuni dibattito esiste riguardo depurazionezione e manutenzione di BTSCs 1, 19-21, sfera coltivate BTSCs meglio mantenere il fenotipo e genotipo del tumore parentale 22-24.
Lo spazio compartmentalized riproduce l'ambiente fisiologico per la migrazione cellulare. Nel nostro dispositivo, BTSC mostrano una forte capacità di migrazione attraverso una dimensione spazio-vincolata regolando morfologia cellulare. La caratterizzazione dei cambiamenti morfologici delle cellule indica la modalità-trasformazioni in una sequenza fase sei che possono modellare un eventuale nuova descrizione dettagliata di invasione BTSC del cervello adiacenti. Nelle prime fasi, le cellule guadagnare una quantità significativa di polarità e generare sporgenze adesive efficacemente si ancorano all'interno del microcanale. Una volta che l'occupazione cella nella microcanale è stabilito, lo converte in una modalità crociera e mantiene questo modo per tutto il percorso attraverso un microcanali. In questa fase, BTSC mantenere alta la motilità e la direzione coerente, ma risparmiare energia. Interestingly, sembra che uno microcanale è limitato a una cella crociera alla volta, in modo che quando una cella singola procede a questa fase, altre cellule ritirata dal microcanali. Questo meccanismo garantisce probabile efficacia di tumore impedisce la diffusione e consumo eccessivo di sostanze nutritive in microcanali. Dopo aver completato la migrazione attraverso il microcanali, una cellula ritrova la sua propensione per le sporgenze multidirezionali e un'ulteriore esplorazione per gli obiettivi di invasione o di nuovi percorsi di migrazione. Il dispositivo di compartimentazione microfluidica offre un romanzo in vitro mezzi di creare un microambiente per studiare BTSC infiltrazione del parenchima cerebrale.
Questo metodo può essere facilmente adattato per lo studio delle cellule staminali del cancro (CSC) e linee cellulari derivate da migratori altri tipi di tumore. Coltura di cellule nel dispositivo microfluidico può essere eseguita in qualsiasi laboratorio biologia moderna che è dotato di un incubatore e coltura tissutale competenze. Dotato di un su-8 master, PDMScasting e montaggio del dispositivo sono realizzabili con una formazione fondamentale nella litografia soft. Inoltre, questa piattaforma può anche essere esteso per altre applicazioni con integrazione di altri moduli funzionali come mixer gradiente, patterning superficie, controllo dei fluidi e microelettrodo.
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
PAC è parzialmente sostenuto da una sovvenzione del NIH T32 a Università degli Studi di cellule staminali di formazione Wisconsin (PA Clark). JSK è stato in parte sostenuto dalla cattedra Headrush Brain Research Tumor, Roger Loff Memorial GBM Fondo di ricerca, e la Fondazione UW / Brain Research Neurochirurgia del tumore e Education Fund. JCW e YH sono parzialmente supportati dalla sovvenzione del NIH NIBIB 1R01EB009103-01.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Nome del reagente | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
Mezzo di Dulbecco Eagle modificato (DMEM), glucosio | Gibco / Invitrogen | 11965 | Cervello di cellule staminali tumorali (BTSC) forniture cultura |
Ham F12 | Gibco / Invitrogen | 31765 | Cervello di cellule staminali tumorali (BTSC) forniture cultura |
B27 supplemento minus vitamina A | Gibco / Invitrogen | 12587-010 | Cervello di cellule staminali tumorali (BTSC) forniture cultura |
Antibiotico-antimicotica (PSA) | Gibco / Invitrogen | 15240 | Cervello di cellule staminali tumorali (BTSC) forniture cultura |
Fattore di crescita epidermico (EGF), ricombinante umano | Gibco / Invitrogen | PHG0313 | Cervello di cellule staminali tumorali (BTSC) forniture cultura |
basic Fibroblast Growth Factor (bFGF), ricombinante umana | Gibco / Invitrogen | PHG0021 | Cervello di cellule staminali tumorali (BTSC) forniture cultura |
Sale di sodio eparina, dalla mucosa intestinale suina | Sigma | H1027-250KU | Cervello di cellule staminali tumorali (BTSC) forniture cultura |
Laminina (mouse naturale) | Gibco / Invitrogen | 23017-015 | Cervello di cellule staminali tumorali (BTSC) forniture cultura |
Accutase | Millipore | SCR005 | Cervello di cellule staminali tumorali (BTSC) forniture cultura |
Staminali media cella |
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Basic Fibroblast Growth Factor (bFGF) / eparina |
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Fattore di crescita epidermico (EGF) |
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Eparina |
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SU-8 fotoresist | MicroChem | ||
Silicon maniglia wafer | WRS Materiali | 3P01-5SSP-INV | |
tricloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluoroottil) silano | Sigma-Aldrich | 448931 | |
PDMS Sylgard 184 | Dow Corning | ||
laminina | BD Bioscience | 50 ug /ml in tampone PBS per la concentrazione finale | |
Biostation IM | Nikon Instruments |
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