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* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Questo protocollo introduce un metodo di micromodellazione senza litografia che è semplice e accessibile a coloro che hanno un background di bioingegneria limitato. Questo metodo utilizza stencil personalizzati tagliati al laser per micropattern proteine a matrice extracellulare in una forma di interesse per la modulazione delle morfologie cellulari. La procedura per la micropatterning è dimostrata utilizzando cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotti.
Le tecniche di micromodellazione sono state ampiamente utilizzate nella biologia cellulare per studiare gli effetti del controllo della forma e delle dimensioni delle cellule sulla determinazione del destino cellulare a risoluzione cellulare singola. Le attuali tecniche di micromodellazione a singola cellula all'avanguardia coinvolgono la litografia morbida e la stampa a microcontatto, che è una tecnologia potente, ma richiede competenze ingegneristiche addestrate e il supporto di alcune strutture nella microfabbricazione. Queste limitazioni richiedono una tecnica più accessibile. Qui, descriviamo un semplice metodo alternativo senza litografia: modellazione a cella singola basata su stencil. Forniamo procedure passo-passo tra cui la progettazione di stencil, la fabbricazione di idrogel poliacrilammide, l'incorporazione di proteine basate su stencil e la placcatura e la coltura cellulare. Questo semplice metodo può essere utilizzato per creare una matrice di ben 2.000 celle. Dimostriamo il modello di cardiomiociti derivati da singole cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo (hiPSC) con forme cellulari distinte, da un quadrato 1:1 a un rettangolo adulto 7:1 cardiomiocito-come. Questo patterning a cella singola basato su stencil è privo di litografia, tecnicamente robusto, conveniente, poco costoso e, soprattutto, accessibile a coloro che hanno un background di bioingegneria limitato.
L'avvento degli hiPSC e il successivo sviluppo di protocolli per la loro differenziazione diretta in diversi tipi di cellule hanno permesso di studiare lo sviluppo e la malattia a livello molecolare e specifico del paziente, in particolare utilizzando cardiomiociti iPSC derivati dal paziente (iPSC-CMs) per modellare cardiomiopatie1,2. Tuttavia, una delle principali limitazioni allo studio dello sviluppo e della fisiologia utilizzando il sistema iPSC e altri modelli in vitro è l'assenza di un microambiente strutturato. In situ, le cellule sono soggette ai vincoli della matrice extracellulare (ECM), così come le cellule vicine. La particolare composizione biochimica e la rigidità di questi microambienti dettano la distribuzione spaziale delle cellule e i fattori disponibili per l'adesione cellulare. Questo, a sua volta, influenza le vie di segnalazione intracellulare, l'espressione genica e la determinazione del destino cellulare. Ad esempio, iPSC-CM micromodellato in una forma di asta simile a un adulto ha una capacità contrattile significativamente migliore, flusso di calcio, organizzazione mitocondriale, elettrofisiologia e formazione trasversa-tubulo3. Pertanto, le proprietà del microambiente sono parte integrante della regolazione delle funzioni cellulari.
Le precedenti tecniche di micromodellazione si basavano fortemente sulla fotolitografia (Figura 1A). In questa tecnica, uno strato di polimero fotosensibile, o fotoresist, viene filato su un substrato piatto dalla soluzione per formare una pellicola sottile di circa 1 m di spessore. Successivamente, la luce ultravioletta (UV) viene applicata al fotoresist attraverso una maschera contenente il modello desiderato. L'esposizione alla luce ultravioletta (UV) altera chimicamente il fotoresist modificandone la solubilità nella rispettiva soluzione per sviluppatori, trasferendo il modello desiderato dalla maschera al substrato. Molti metodi di micropatterning incorporano la fotolitografia, in quanto conferisce il nanometro al controllo a livello di micrometro sulla progettazione dei modelli cellulari. Tuttavia, la rotazione del fotoresist è altamente sensibile alle impurità, perché le particelle di polvere più piccole interromperanno la diffusione della soluzione in una pellicola sottile. La fotolitografia deve pertanto essere effettuata in strutture non contaminate, che sono costose da mantenere e richiedono particolari competenze da utilizzare. Inoltre, le sostanze chimiche utilizzate nella fotolitografia sono spesso tossiche per le cellule e possono denaturare importanti biomolecole. Pertanto, la fotolitografia pone notevoli ostacoli alla fabbricazione di micromodelli per pratiche applicazioni biologiche.
Nel 1994, Whitesides e colleghi4 hanno superato alcune delle sfide associate alla fotolitografia aprendo la strada a una raccolta di tecniche chiamate litografia morbida. Nella litografia morbida, una superficie microstrutturata realizzata con polidimetilsiloxane (PDMS), un materiale trasparente, simile alla gomma, viene utilizzata per generare un modello di proteine ECM4. Le tecniche litografiche morbide comuni includono la stampa a microcontatto e la modellazione microfluidica. Nella stampa a microcontatto, attualmente il metodo litografico morbido più diffuso, un timbro PDMS rivestito con proteine ECM trasferisce il materiale su una superficie alle aree contattate dal francobollo (Figura 1B). Nel patterning microfluidico, le microstrutture sono progettate su una superficie PDMS in modo che quando il timbro viene premuto su un substrato, viene creata una rete di microcanali, attraverso i quali i fluidi possono essere consegnati alle aree desiderate (Figura 1C)5. La litografia soft offre diversi vantaggi rispetto alla fotolitografia. Una volta che un wafer master è microfabbricato, i francobolli PDMS possono essere facilmente replicati senza ulteriore impiego di strutture per camere pulite. Inoltre, l'assenza di solventi organici nel processo di litografia morbida consente l'utilizzo di materiali polimerici come il polistirolo, tipicamente utilizzato nella coltura cellulare. Infine, la micropatterning con metodi litografici morbidi non è limitata alle superfici piatte. Così, la litografia morbida aumenta l'accessibilità e la funzionalità della fabbricazione di micropattern rispetto alla fotolitografia6. Tuttavia, la litografia morbida presenta svantaggi significativi. Ad esempio, una fase iniziale di incisione, utilizzando la fotolitografia, è ancora necessaria per microfabbricare il timbro. Inoltre, la micromodellazione con un timbro PDMS è soggetta a variazioni nella qualità del trasferimento di proteine sul substrato6. Evitare queste discrepanze richiede ottimizzazione e consistenza nella pressione applicata al timbro PDMS durante il trasferimento di proteine, altrimenti la deformazione e la distorsione delle dimensioni delle feature degli stampi PDMS possono verificarsi6. C'è anche una grande preoccupazione di utilizzare ripetutamente il PDMS a causa dell'assorbimento di piccole molecole7.
Per evitare l'uso di fotolitografia morbida e timbri PDMS, descriviamo un metodo di micropatterning a singola cellula basato su stencil e litografia che supera molti degli ostacoli associati alla fotolitografia e alla litografia morbida. In questo metodo, un idrogel di poliacrilammide viene utilizzato come substrato per l'incorporazione di proteine ECM a base di stencil, consentendo la placcatura selettiva di singoli hiPSC-CM. Questa tecnica è altamente compatibile con i materiali polimerici utilizzati nelle classiche condizioni di coltura cellulare. Inoltre, con una corretta pulizia e manutenzione, gli stencil sono riutilizzabili e resistenti alla degradazione e all'assorbimento delle proteine durante il processo di microfabbricazione. Infine, il processo di modellazione è tecnicamente robusto, economico, personalizzabile e accessibile a coloro che non hanno competenze di bioingegneria specializzate. Questa tecnica di micropatterning basato su stencil è stata ampiamente utilizzata nelle nostre recenti pubblicazioni modellando varie cardiomiopatie8,9,10.
1. Fabbricazione di stencil a base di poliimide a modello negativo
2. Preparazione di aliquote sulfo-SANPAH
NOTA: Il protocollo viene modificato da Fischer etal.
3. Sterilizzazione degli strumenti
4. Preparazione della soluzione precursore di idrogel di poliacrilammide
NOTA: il protocollo viene modificato da Lee etal.
5. Preparazione della soluzione fotoinitiata
6. Preparazione della soluzione proteica della matrice della membrana del seminterrato
NOTA: La matrice della membrana del seminterrato (Tabella dei materiali) è un materiale sensibile alla temperatura. Assicurati di lavorare sul ghiaccio con punte e tubi di pipetta refrigerate e soluzioni ghiacciate. Un nuovo stock di matrice della membrana del seminterrato dovrebbe essere scongelato lentamente sul ghiaccio a 4 gradi durante la notte.
7. Fabbricazione idrogel
8. coniugazione proteica
9. Pulizia degli stencil usati
È stata dimostrata la fabbricazione di stencil contenenti una matrice di quadrati o rettangoli (Figura 4A). Seguendo questo protocollo, abbiamo ottenuto isole di proteine a matrice modellata (Figura 4B e Figura 5A) e celle (Figura 4C). La concentrazione di soluzione proteica a matrice non ottimale ha portato a patterning non ottimale (Figura 5B). È fondamentale utilizzare...
Descriviamo un metodo di micropatterning basato su stencil privo di litografia che consente un patterning efficace delle cellule aderenti. In questo protocollo, dimostriamo la modellazione di hiPSC-CMs in diversi rapporti lunghezza-larghezza micropatternndo le isole proteiche della matrice della membrana seminterrato su idrogel di policritilmide con rigidità dei tessuti fisiologicamente o patologicamente rilevanti o substrati elastomeri a base di silicio. Questo metodo è relativamente semplice e altamente accessibile a...
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato sostenuto da una borsa di studio post-dottorato dello Stanford Child Health Research Institute (CHRI) e del National Institute of Health (1F32HL142205-01) a S.L, il NIH Office of Director's Pioneer Award (LM012179-03), l'American Heart Association Established Investigator Award (17EIA33410923), lo Stanford Cardiovascular Institute, la Hoffmann and Schroepfer Foundation, e la Stanford Division of Cardiovascular Medicine, Department of Medicine to S.M.W , premi del National Institute of Health (UG3 TR002588, P01 HL141084, R01 HL126527, R01 HL113006, R01 HL123968) e Il Tobacco-related Disease Research Program (TRDRP 27IR-0012) a J.C.W, l'American Heart Association (AHA) Postdoctoral Fellowship Award (18POST34030106) a H.Y, e il fellowbergership Hengst a T.S. Ringraziamo il Dr. Andrew Olsen di Stanford Neuroscience Microscopy Service per il supporto dell'imaging confocale dell'hiPSC-CM micromodellato. Ringraziamo H.Y. per la prima progettazione di stencil, la fabbricazione, micropatterning a singola cellula di iPSC-CM sulla coverslip rivestita di idrogel in poliacrilamina e l'imaging confocale preliminare della struttura sarcomeda degli iPSC-CM a singola cellula.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-Aminoethyl methacrylate hydrochloride (powder) | Sigma-Aldrich | 516155 | |
Acrylamide solution 40% (solution) | Sigma-Aldrich | A-4058-100mL | |
Bench UV lamp 365 nm | UVP | UVP 95-0042-07, XX-15L | |
BioFlex culture plate | FLEXCELL INTERNATIONAL CORPORATION, Burlington, NC | 6-well plate with silicon elastomer substrate | |
Bis-acrylamide solution 2% (solution) | Sigma-Aldrich | M1533-25mL | |
Corning cover glasses square, No. 2, W × L 22 mm × 22 mm | Sigma | CLS285522 | |
Irgacure (2-Hydroxy-4′-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiophenone) (powder) | Sigma-Aldrich | 410896 | |
Matrigel | Corning | 356231 | basement membrane matrix protein solution |
Methyl sulfoxide, 99.7+%, Extra Dry, AcroSeal, ACROS Organics | Acros Organics | 326881000 | |
Millex (13mm) filter unit with Durapore Membrane | Millipore | SLGV013SL | |
Millipore 50mL Steriflip (0.22 µm) | Fisher Scientific | SCGP00525 | |
Stencils | Potomac | custom design | |
Sulfo-SANPAH | ThermoFisher Scientific | 22589 | |
TrypLE Select 10x | ThermoFisher Scientific | A1217702 | Enzyme used for stencil cleaning |
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