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Microfluidic-based Electrotaxis for On-demand Quantitative Analysis of <em>Caenorhabditis elegans</em>' Locomotion

The nematode Caenorhabditis elegans is a versatile model organism for biomedical research because of its conservation of disease-related genes and ...

McMaster University 

The nematode (worm) Caenorhabditis elegans is one of the most widely studied organisms for biomedical research. Currently, C. elegans assays are performed either on petri dishes, 96-well plates or using pneumatically controlled microfluidic devices. In this work, we demonstrate that the electric field can be used as a powerful stimulus to control movement of worms in a microfluidic environment. We found that this response (termed electrotaxis) is directional, fully penetrant and highly sensitive. The characterization of electrotaxis revealed that it is mediated by neuronal activity that varies with the age and size of animals. Although the speed of swimming is unaffected by changes in the electric field strength and direction, our results show that each developmental stage responds to a specific range of electric field with a specific speed. Finally, we provide evidence that the exposure to the electric field has no discernible effect on the ability of animals to survive and reproduce. Our method has potential in precisely controlling, directing, and transporting worms in an efficient and automated manner. This opens up significant possibilities for high-throughput screening of C. elegans for drug discovery and other applications.

Electrotaxis of Caenorhabditis elegans in a microfluidic environment.

Le n&eacute;matode (ver) Caenorhabditis elegans est un des organismes plus &eacute;tudi&eacute;s pour la recherche biom&eacute;dicale. Actuellement, c. elegans, analyses sur bo&icirc;tes de Petri, plaques de 96 puits ou utilisant pneumatique contr&ocirc;l&eacute;e dispositifs microfluidiques. Dans ce travail, nous d&eacute;montrons que le champ &eacute;lectrique utilisable comme un stimulant puissant pour contr&ocirc;ler les mouvements vers dans un environnement de microfluidique. Nous avons constat&eacute; que cette r&eacute;ponse (appel&eacute;e electrotaxis) est directionnel, enti&egrave;rement par ressuage et tr&egrave;s sensible. La caract&eacute;risation d&#39;electrotaxis a r&eacute;v&eacute;l&eacute; qu&#39;elle est v&eacute;hicul&eacute;e par l&#39;activit&eacute; neuronale qui varie avec l&#39;&acirc;ge et la taille des animaux. Bien que la vitesse de nage n&#39;est pas affect&eacute;e par des changements dans l&#39;intensit&eacute; du champ &eacute;lectrique et de la direction, nos r&eacute;sultats montrent que chaque stade de d&eacute;veloppement r&eacute;pond &agrave; une gamme sp&eacute;cifique de champ &eacute;lectrique avec une vitesse sp&eacute;cifique. Enfin, nous fournir la preuve que l&#39;exposition au champ &eacute;lectrique n&#39;a aucun effet perceptible sur la capacit&eacute; des animaux &agrave; survivre et se reproduire. Notre m&eacute;thode a potentiel en contr&ocirc;lant pr&eacute;cis&eacute;ment, mise en sc&egrave;ne et transport vers de mani&egrave;re efficace et automatis&eacute;e. Cela ouvre des possibilit&eacute;s importantes pour le criblage &agrave; haut d&eacute;bit de c. elegans pour la d&eacute;couverte de m&eacute;dicaments et d&#39;autres applications.

Electrotaxis de Caenorhabditis elegans dans un environnement de microfluidique.

Il nematode (verme) Caenorhabditis elegans &egrave; uno degli organismi pi&ugrave; ampiamente studiati per la ricerca biomedica. Attualmente, c. elegans dosaggi vengono eseguiti sia su piastre di Petri, piastre da 96 pozzetti o utilizzando pneumaticamente controllato dispositivi microfluidici. In questo lavoro, dimostriamo che il campo elettrico pu&ograve; essere utilizzato come un potente stimolo per controllare il movimento dei vermi in un ambiente di microfluidica. Abbiamo trovato che questa risposta (chiamata electrotaxis) &egrave; direzionale, completamente penetranti e altamente sensibile. La caratterizzazione di electrotaxis ha rivelato che esso &egrave; mediato dall&#39;attivit&agrave; neuronale che varia con l&#39;et&agrave; e le dimensioni degli animali. Anche se la velocit&agrave; di nuoto &egrave; influenzata dai cambiamenti nella direzione e intensit&agrave; di campo elettrico, i nostri risultati mostrano che ogni fase dello sviluppo risponde ad una specifica gamma di campo elettrico con una velocit&agrave; specifica. Infine, forniamo prove che l&#39;esposizione al campo elettrico non ha alcun effetto visibile sulla capacit&agrave; degli animali di sopravvivere e riprodursi. Il nostro metodo ha potenzialit&agrave; nel proprio controllo, dirigendo e trasporto di vermi in modo efficiente e automatizzato. Questo apre notevoli possibilit&agrave; per high-throughput screening di c. elegans per la scoperta della droga e altre applicazioni.

Electrotaxis di Caenorhabditis elegans in un ambiente di microfluidica.

The nematodes (worms) Caenorhabditiselegans and Caenorhabditisbriggsae are well-known model organisms to study the basis of animal development and behaviour. Their sinusoidal pattern of movement is highly stereotypic and serves as a tool to monitor defects in neurons and muscles that control movement. Until recently, a simple yet robust method to initiate movement response on-demand did not exist. We have found that the electrical stimulation in a microfluidic channel, using constant DC electric field, induces movement (termed electrotaxis) that is instantaneous, precise, sensitive, and fully penetrant. We have further characterized this behaviour and, in this paper, demonstrate that electrotaxis can also be induced using a pulse DC electric signal. Worms responded to pulse DC signals with as low as 30% duty cycle by moving towards the negative electrode at the same speed as constant DC fields (average speed of C. elegansâ€‰=â€‰296â€‰Â±â€‰43â€‰Î¼m/s and C. briggsaeâ€‰=â€‰356â€‰Â±â€‰20â€‰Î¼m/s, for both constant and pulse DC electric fields with various frequencies). C. briggsae was found to be more sensitive to electric signals compared to C. elegans. We also investigated the turning response of worms to a change in the direction of constant and pulse DC signals. The response for constant DC signal was found to be instantaneous and similar for most worms. However, in the case of pulse DC signal, alterations in duty cycle affected the turning response time as well as the number of responding worms. Our findings show that pulse DC method allows quantitative measurement of response behaviour of worms and suggest that it could be used as a tool to study the neuronal basis of such a behaviour that is not observed under constant DC conditions.

Effect of pulse direct current signals on electrotactic movement of nematodes Caenorhabditis elegans and Caenorhabditis briggsae.

Les n&eacute;matodes (vers) Caenorhabditiselegans et Caenorhabditisbriggsae sont des organismes de mod&egrave;le connu pour &eacute;tudier la base du d&eacute;veloppement animal et le comportement. Leur mod&egrave;le sinuso&iuml;dal de mouvement est tr&egrave;s st&eacute;r&eacute;otyp&eacute;e et sert d&#39;outil pour surveiller les d&eacute;fauts dans les neurones et les muscles qui contr&ocirc;lent le mouvement. Jusqu&#39;&agrave; tout r&eacute;cemment, une m&eacute;thode simple et robuste pour initier le mouvement r&eacute;ponse demande n&#39;existait pas. Nous avons trouv&eacute; que la stimulation &eacute;lectrique dans un canal microfluidique, en utilisant le champ &eacute;lectrique de constant DC, induit de mouvement (appel&eacute; electrotaxis) qui est instantan&eacute;e, pr&eacute;cise, sensible et enti&egrave;rement par ressuage. Nous ont &eacute;galement caract&eacute;ris&eacute; ce comportement et, dans cet article, montrent qu&#39;electrotaxis peut &eacute;galement &ecirc;tre induite &agrave; l&#39;aide d&#39;un signal &eacute;lectrique d&#39;impulsion DC. Worms a r&eacute;pondu aux signaux d&#39;impulsion DC avec aussi peu que 30 % de rapport cyclique en d&eacute;pla&ccedil;ant vers l&#39;&eacute;lectrode n&eacute;gative &agrave; la m&ecirc;me vitesse que les champs DC constants (vitesse moyenne de c. elegans = 296 &plusmn; 43 &mu;m/s et c. briggsae = 356 &plusmn; 20 &mu;m/s, pour la constante et le pouls des champs &eacute;lectriques DC avec des fr&eacute;quences diff&eacute;rentes). C. briggsae s&#39;est av&eacute;r&eacute; pour &ecirc;tre plus sensibles aux signaux &eacute;lectriques par rapport &agrave; c. elegans. Nous avons &eacute;galement &eacute;tudi&eacute; la r&eacute;ponse tournant vers &agrave; un changement dans la direction de constant et impulsion des signaux DC. La r&eacute;ponse de signal DC constant s&#39;est av&eacute;r&eacute;e semblable pour la plupart vers et instantan&eacute;e. Toutefois, en cas de signal d&#39;impulsion DC, alt&eacute;rations en rapport cyclique touchent le temps de r&eacute;ponse de tournage ainsi que le nombre de vers ayant r&eacute;pondu au questionnaire. Nos r&eacute;sultats montrent que la m&eacute;thode pulse DC permet une mesure quantitative du comportement de r&eacute;ponse de worms et sugg&egrave;rent qu&#39;il pourrait &ecirc;tre utilis&eacute; comme un outil pour &eacute;tudier la base neuronale d&#39;un tel comportement qui n&#39;est pas observ&eacute;e dans des conditions constantes de DC.

Effet de courant continu de pouls des signaux sur le mouvement electrotactic de n&eacute;matodes Caenorhabditis elegans et Caenorhabditis briggsae.

I nematodi (vermi) Caenorhabditiselegans e Caenorhabditisbriggsae sono organismi ben noto modello per studiare la base dello sviluppo degli animali e comportamenti. Loro pattern sinusoidale del movimento &egrave; altamente stereotipati e serve come strumento per monitorare i difetti nei neuroni e muscoli che controllano il movimento. Fino a poco tempo fa, non esisteva un metodo semplice ma efficace per avviare il movimento risposta on-demand. Abbiamo trovato che la stimolazione elettrica in un canale di microfluidica, utilizzando il campo costante elettrico DC, induce movimento (chiamato electrotaxis) che &egrave; istantaneo, preciso, sensibile e completamente penetranti. Hanno ulteriormente caratterizzato questo comportamento e, in questo libro, dimostrano che electrotaxis pu&ograve; essere indotta anche tramite un segnale elettrico di impulsi DC. Vermi risposero ai segnali a impulsi DC con basso quanto 30% duty cycle spostando verso l&#39;elettrodo negativo alla stessa velocit&agrave; come campi DC costante (velocit&agrave; di c. elegans media = 296 &plusmn; 43 &mu;m/s e c. briggsae = 356 &plusmn; 20 &mu;m/s, per campi sia costante e impulsi elettrici di DC con varie frequenze). C. briggsae &egrave; stato trovato per essere pi&ugrave; sensibili ai segnali elettrici rispetto al c. elegans. Abbiamo anche studiato la risposta di tornitura di vermi per un cambiamento in direzione di segnali DC costante e impulso. La risposta per segnale DC costante &egrave; stata trovata per essere istantanei e simili per la maggior parte dei vermi. Tuttavia, nel caso di segnale di impulso DC, alterazioni nel ciclo di dovere influiscono il tempo di risposta di svolta, come pure il numero di vermi risponde. Nostri risultati mostrano che il metodo pulse DC consente la misurazione quantitativa del comportamento di risposta di vermi e suggeriscono che potrebbe essere utilizzato come uno strumento per studiare la base neuronale di questo comportamento che non &egrave; osservato in condizioni di costante DC.

Effetto dell&#39;impulso di corrente diretta dei segnali su electrotactic movimento dei nematodi Caenorhabditis elegans e Caenorhabditis briggsae.

The nematode (worm) C. elegans is one of the widely studied animal model organisms in biology. It develops through 4 larval stages (L1-L4) in 2 to 3 days before becoming a young adult. Biological assays involving C. elegans frequently require a large number of animals that are appropriately staged and exhibit a similar behaviour. We have developed a new method to synchronize animals that relies on the electrotactic response (electric field-induced motion) of C. elegans to sort them in parallel based on their age, size and phenotype. By using local electric field traps in a microfluidic device, we can efficiently sort worms from a mixed culture in a semi-continuous flow manner (with a minimum throughput of 78 worms per minute per load-run) and obtain synchronized populations of animals. In addition to sorting larvae, our device can also distinguish between young and old adults efficiently. Unlike fluorescent based sorting systems that use active imaging based feedback, this method is passive and automatic and uses the innate behaviour of the worm. Considering that the entire procedure takes only a few minutes to run and is cost-effective, it promises to simplify and accelerate experiments requiring homogeneous cultures of worms as well as to facilitate isolation of mutants that have abnormal electrotaxis. More importantly, our method of isolating and separating worms using locomotion as a defining characteristic promises development of advanced microfluidics-based systems to study the neuronal basis of movement-related defects in worms and facilitate high-throughput chemical screening and drug discovery.

Electrical sorting of Caenorhabditis elegans.

Le n&eacute;matode (ver) c. elegans est un des organismes mod&egrave;les animaux &eacute;tudi&eacute;s en biologie. Il se d&eacute;veloppe par le biais de 4 stades larvaires (L1-L4) de 2 &agrave; 3 jours avant de devenir un jeune adulte. Les dosages biologiques impliquant des elegans de Caenorhabditis fr&eacute;quemment n&eacute;cessitent un grand nombre d&#39;animaux qui sont convenablement mis en sc&egrave;ne et pr&eacute;sentent un comportement similaire. Nous avons d&eacute;velopp&eacute; une nouvelle m&eacute;thode pour synchroniser les animaux qui s&#39;appuie sur la r&eacute;ponse d&#39;electrotactic (mouvement induite par le champ &eacute;lectrique) de c. elegans de les classer en parall&egrave;le fond&eacute;e sur leur &acirc;ge, la taille et le ph&eacute;notype. En utilisant des pi&egrave;ges de champ &eacute;lectrique local dans un dispositif microfluidique, nous pouvons efficacement Trier vers contre une culture mixte de mani&egrave;re circulation semi-continue (avec un d&eacute;bit minimum de 78 vers par minute par load-run) et obtenir les populations synchronis&eacute;es des animaux. En plus de larves de tri, notre dispositif peut &eacute;galement distinguer entre adultes jeunes et moins jeunes efficacement. &Agrave; la diff&eacute;rence des fluorescents tris syst&egrave;mes qui utilisent la r&eacute;troaction de base d&#39;imagerie active, cette m&eacute;thode est passive et automatique et utilise le comportement inn&eacute; du ver. Consid&eacute;rant que l&#39;ensemble de la proc&eacute;dure ne prend que quelques minutes pour ex&eacute;cuter et qu&#39;il est rentable, il promet de simplifier et d&#39;acc&eacute;l&eacute;rer les exp&eacute;riences n&eacute;cessitant des cultures homog&egrave;nes de worms ainsi &agrave; permettre d&#39;isoler des mutants qui ont electrotaxis anormale. Plus important encore, notre m&eacute;thode d&#39;isoler et s&eacute;parer les vers &agrave; l&#39;aide de locomotion comme une caract&eacute;ristique d&eacute;terminante promet de d&eacute;veloppement des syst&egrave;mes microfluidiques avanc&eacute;es pour &eacute;tudier la base neuronale des anomalies li&eacute;es &agrave; mouvement &agrave; worms et faciliter le criblage &agrave; haut d&eacute;bit chimique et d&eacute;couverte de m&eacute;dicaments.

&Eacute;lectrique tri de Caenorhabditis elegans.

Il nematode (verme) c. elegans &egrave; uno degli organismi modello animale ampiamente studiato in biologia. Si sviluppa attraverso 4 stadi larvali (L1-L4) in 2-3 giorni prima di diventare un giovane adulto. Analisi biologiche che coinvolgono c. elegans spesso richiedono un gran numero di animali che sono opportunamente allestito ed esibiscono un comportamento simile. Abbiamo sviluppato un nuovo metodo per sincronizzare gli animali che si basa sulla risposta electrotactic (movimento indotta dal campo elettrico) di c. elegans a ordinarli in parallelo basato sulla loro et&agrave;, la dimensione e il fenotipo. Utilizzando il campo elettrico locale trappole in un dispositivo di microfluidica, possiamo ordinare i vermi da una coltura mista in maniera semicontinuo flusso (con un volume minimo di 78 vermi al minuto per carico-Esegui) in modo efficiente e ottenere sincronizzate delle popolazioni di animali. Oltre alle larve di ordinamento, il nostro dispositivo pu&ograve; anche distinguere tra vecchi e giovani adulti in modo efficiente. A differenza di fluorescenti basati ordinamento sistemi che utilizzano active feedback basato imaging, questo metodo &egrave; passivo e automatico e utilizza il comportamento innato del worm. Considerando che l&#39;intera procedura richiede solo pochi minuti per eseguire e che &egrave; conveniente, che promette di semplificare e velocizzare gli esperimenti che richiedono culture omogenee di vermi pure per facilitare l&#39;isolamento di mutanti che hanno electrotaxis anormale. Ancora pi&ugrave; importante, il nostro metodo di isolare e separare i vermi mediante locomozione come una caratteristica di definizione promette lo sviluppo di sistemi avanzati basati su microfluidics per studiare le basi neuronali di difetti legati al movimento di vermi e facilitare high-throughput screening chimico e la scoperta della droga.

Pouya Rezai

Department of Mechanical Engineering

McMaster University

Microfluidic-based Electrotaxis for On-demand Quantitative Analysis of Caenorhabditis elegans' Locomotion