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Method Article
Apresentamos um método para a aquisição de cursos de tempo de repórter fluorescência de células únicas usando matrizes micropatteradas. O protocolo descreve a preparação de matrizes unicelulares, a configuração e o funcionamento de microscopia de lapso de tempo de varredura de células vivas e uma ferramenta de análise de imagem de código aberto para pré-seleção automatizada, controle visual e rastreamento de cursos de tempo de fluorescência integrados por células por local de adesão.
A imagem de células vivas de Matrizes Unicelulares (LISCA) é um método versátil para coletar cursos de tempo de sinais de fluorescência de células individuais em alta produtividade. Em geral, a aquisição de cursos de tempo unicelulares de células cultivadas é dificultada pela motilidade celular e diversidade de formas celulares. Micro arrays adesivos padronizam as condições unicelulares e facilitam a análise de imagens. O LISCA combina microarrays unicelulares com microscopia de lapso de tempo de varredura e processamento automatizado de imagens. Aqui, descrevemos os passos experimentais de fazer cursos de tempo de fluorescência unicelulares em um formato LISCA. Transfectamos células aderentes a uma matriz micropatterada usando codificação mRNA para proteína fluorescente verde aprimorada (eGFP) e monitoramos a cinética de expressão eGFP de centenas de células em paralelo através da microscopia de lapso de tempo de varredura. As pilhas de dados de imagem são automaticamente processadas por um software recém-desenvolvido que integra a intensidade da fluorescência sobre contornos celulares selecionados para gerar cursos de tempo de fluorescência unicelulares. Demonstramos que os cursos de tempo de expressão do eGFP após a transfecção do mRNA são bem descritos por um simples modelo de tradução cinética que revela taxas de expressão e degradação do mRNA. Outras aplicações do LISCA para correlações de tempo de evento de múltiplos marcadores no contexto de sinalização da apoptose são discutidas.
Nos últimos anos, a importância de experimentos unicelulares tornou-se aparente. Os dados de células únicas permitem a investigação da variabilidade celular-célula, a resolução de correlações de parâmetros intracelulares e a detecção de cinéticas celulares que permanecem escondidas nas medições do conjunto1,2,3. Para investigar cinética celular de milhares de células únicas em paralelo, são necessárias novas abordagens que permitam monitorar as células em condições padronizadas durante um período de várias horas até vários dias seguido de uma análise quantitativa de dados 4. Aqui, apresentamos imagens de células vivas de matrizes unicelulares (LISCA), que combina o uso de matrizes microestruturadas com microscopia de lapso de tempo e análise automatizada de imagens.
Vários métodos de geração de matrizes unicelulares microestruturadas foram estabelecidos e publicados na literatura5,6. Aqui, descrevemos brevemente a padronização de proteína iniciada por plasma de microescala (μPIPP). Um protocolo detalhado da fabricação de matriz unicelular usando μPIPP também é encontrado na referência7. O uso de matrizes unicelulares permite o alinhamento de milhares de células em pontos de adesão padronizados apresentando microambientes definidos para cada célula e, assim, reduz uma fonte de variabilidade experimental(Figura 1A). Matrizes unicelulares são usadas para monitorar os cursos de tempo de marcadores fluorescentes com propósito para indicar uma variedade de processos celulares. A microscopia de longo prazo no modo de verificação de lapso de tempo permite monitorar uma grande área das matrizes unicelulares e, portanto, amostrar dados unicelulares em alta taxa de distribuição durante um tempo de observação de várias horas ou até dias. Isso gera pilhas de imagens de linha de tempo de cada posição da matriz(Figura 1B). Para reduzir a grande quantidade de dados de imagem e extrair os cursos de tempo de fluorescência unicelular desejados de forma eficiente, é necessário um processamento automatizado de imagens que aproveita o posicionamento das células(Figura 1C).
O desafio do LISCA é adaptar os protocolos experimentais e ferramentas computacionais para formar um ensaio de alto rendimento que gere dados quantitativos e reprodutíveis de cinética celular. Neste artigo, fornecemos uma descrição passo a passo dos métodos individuais e como eles são combinados em um ensaio LISCA. Como exemplo, discutimos o curso temporal da expressão aprimorada de proteína fluorescente verde (eGFP) após a entrega artificial de mRNA. A expressão eGFP após a entrega do mRNA é descrita por equações de taxa de reação modelando tradução e degradação do mRNA. A montagem da função do modelo para o curso de tempo da concentração eGFP à leitura LISCA da intensidade de fluorescência para cada célula individual ao longo do tempo produz melhores estimativas de parâmetros de modelo, como a taxa de degradação do mRNA. Como resultado representativo, discutimos a eficiência de entrega de mRNA de dois diferentes agentes de transfecção à base de lipídios e como suas distribuições de parâmetros diferem.
Figura 1: Representação do fluxo de trabalho LISCA que combina (A) matrizes unicelulares (B) micro-padronizadas de micro-padrão e análise automatizada de imagens (C) da série de imagens gravadas. As matrizes unicelulares consistem em um padrão bidimensional de quadrados adesivos celulares com um interespaço repelente celular levando a um arranjo das células no micropattern, como pode ser visto na imagem de contraste de fase, bem como na imagem de fluorescência das células expressas eGFP(A). Toda a área microestruturada é imagem em um modo de fluxo de tempo de varredura repetidamente tirando imagens em uma sequência de posições(B). Séries de imagens gravadas são processadas para ler a intensidade da fluorescência por célula ao longo do tempo(C). Barras de escala: 500 μm(A),200 μm(C). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Aquisição de dados combinando microarrays unicelulares (A) com microscopia de lapso de tempo de varredura (B). Como preparação do experimento de lapso de tempo, uma matriz unicelular com um micropattern 2D de quadrados de adesão é preparada (1), seguida pela semeadura celular e o alinhamento das células no micropêrnio (2), bem como a conexão de um sistema de perfusão ao slide de seis canais, que permite o manuseio líquido durante a medição do lapso de tempo (3). Um experimento de lapso de tempo de varredura é configurado (4) e as células são transfeinadas no microscópio injetando uma solução lipoplex de mRNA através do sistema de perfusão durante o experimento de lapso de tempo (5). Barras de escala: 200 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
1. Fabricação de matriz unicelular microestruturada(Figura 2A)
Figura 3: A fabricação de microarraia de célula única por μPIPP. (1) Selos PDMS com uma estrutura de micropattern tridimensional na superfície são dispostos em uma mancha de cobertura de um slide de seis canais. (2) A mancha de cobertura com os selos PDMS é tratada com plasma de oxigênio para tornar as superfícies hidrofílicas. (3) Adicionado PLL-PEG. É absorvida na microestrutura por forças capilares e faz com que as superfícies não cobertas pelo selo PDMS repelente celular. (4) A mancha de cobertura é lavada com água para remover o PLL-PEG restante. Em seguida, os selos PDMS são removidos e um slide pegajoso de seis canais é preso ao deslizamento de tampa. (5) A fibronectina, uma proteína da matriz extracelular, é adicionada para fazer as áreas sem adesivo celular PLL-PEG. (6) O slide de seis canais é lavado com soro fisiológico tamponado por fosfato. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. Semeadura celular (Figura 2A)
NOTA: Para as seguintes etapas de lavagem, adicione o respectivo líquido a um reservatório e, em seguida, remova um volume igual de líquido do reservatório oposto de um canal.
Figura 4: Auto-organização celular e controle de qualidade da matriz μPIPP. (A) A superfície microestruturada consiste em manchas de adesão revestidas de FN ao quadrado mostradas em vermelho cercadas por um polímero repelente celular. (B) Após a semeadura celular, as células HuH7 são distribuídas aleatoriamente e (C) aderem principalmente nos pontos de adesão durante um período de tempo de 4h. Reimpresso com permissão 7. Barras de escala: 200 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3. Sistema de perfusão(Figura 2A)
NOTA: O uso de um sistema de perfusão só é necessário se os reagentes ou marcadores fluorescentes precisarem ser adicionados durante o curso da medição do lapso de tempo. Dependendo de suas necessidades, você pode conectar cada canal a um sistema de perfusão separado ou conectar vários canais em série ao mesmo sistema de perfusão. O número de sistemas de perfusão corresponde ao número de condições experimentais independentes. Conecte os tubos em condições estéreis em um armário de biossegurança e evite a inclusão de bolhas de ar no sistema de perfusão. Se não for utilizado nenhum sistema de perfusão, adicione os reagentes/marcadores em um armário de biossegurança antes da medição do lapso de tempo. O sistema de perfusão é fabricado internamente, o material usado está listado na Tabela de Materiais. A montagem do sistema de perfusão foi descrita anteriormente9.
4. Microscopia de lapso de tempo(Figura 2B)
NOTA: Para medições de longo prazo, mantenha uma temperatura estável de 37 °C e um nível de CO2 estável. Como alternativa ao meio de crescimento celular dependente de CO2,use meio L15 para o qual não é necessário um sistema de incubação de gás.
NOTA: Para imagens quantitativas, use o meio de crescimento celular sem fenol vermelho durante a medição do lapso de tempo para reduzir a fluorescência de fundo e use as mesmas configurações do protocolo time-lapse, bem como o mesmo microscópio para réplicas técnicas.
5. Marcador fluorescente - transfecção de mRNA(Figura 2B)
NOTA: Para uma transfecção em dois canais conectados por um sistema de tubulação, é necessário um volume total de 600 μL de mistura de transfecção (300 μL para um canal). Os volumes indicados referem-se a uma transfecção em dois canais conectados.
6. Análise de imagem e leitura de fluorescência
Figura 5: O processamento automatizado de imagens da série de imagens de lapso de tempo usando pyama. (1) Séries de imagens de contraste de fase e fluorescência para cada posição de imagem são importadas. (2) Os contornos celulares são determinados pela segmentação na pilha de imagens de contraste de fase. (3) Uma correção de fundo é aplicada às imagens de fluorescência. (4) Os contornos celulares são rastreados ao longo do tempo e pré-selecionados para exportação. (5) A intensidade da fluorescência é integrada com base nos contornos celulares rastreados. (6) Áreas de células unicelulares e intensidades integradas de fluorescência são avaliadas e cursos de tempo para cada célula são exportados. Barras de escala: 100 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A abordagem LISCA permite coletar eficientemente cursos de tempo de fluorescência a partir de células únicas. Como exemplo representativo, descrevemos como o método LISCA é aplicado para medir a expressão eGFP unicelular após a transfecção. Os dados do experimento LISCA são utilizados para avaliar cinética de entrega de mRNA, o que é importante para o desenvolvimento de medicamentos mRNA eficientes.
Em particular, demonstramos o impacto diferente de dois sistemas de entrega de mRNA...
Aqui descrevemos o LISCA como uma técnica versátil para seguir cinética celular de rótulos fluorescentes intracelulares no nível de célula única. Para realizar um experimento LISCA bem-sucedido, cada uma das etapas descritas da seção de protocolo deve ser estabelecida individualmente e, em seguida, todas as etapas devem ser combinadas. Cada um dos três principais aspectos do LISCA apresentam etapas cruciais.
Fabricação de microarraia unicelular
A qualidade da microarray...
Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Este trabalho foi apoiado por bolsas da Fundação Alemã de Ciência (DFG) ao Centro de Pesquisa Colaborativa (SFB) 1032. Apoio do Ministério Federal alemão da Educação, Pesquisa e Tecnologia (BMBF) no âmbito do projeto cooperativo 05K2018-2017-06716 Medisoft, bem como uma bolsa da Bayerische Forschungsstiftung são reconhecidas com gratidão. Anita Reiser foi apoiada por uma Bolsa DFG através da Escola de Pós-Graduação em Biociências Quantitativas de Munique (QBM).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Adtech Polymer Engineering PTFE Microtubing | Fisher Scientific | 10178071 | |
baking oven | Binder | 9010-0190 | |
CFI Plan Fluor DL 10x | Nikon | MRH20100 | |
Desiccator | Roth | NX07.1 | |
Eclipse Ti-E | Nikon | ||
eGFP mRNA | Trilink | L-7601 | |
Female Luer to Tube Connector | MEDNET | FTL210-6005 | |
Fetal bovine serum | Thermo Fisher | 10270106 | |
Fibronectin | Yo Proteins | 663 | |
Filter set eGFP | AHF | F46-002 | |
Fisherbrand Translucent Platinum-Cured Silicone Tubing | Fisher Scientific | 11768088 | |
HEPES (1 M) | Thermo Fisher | 15630080 | |
Incubation Box | Okolab | OKO-H201 | |
incubator | Binder | 9040-0012 | |
L-15 without phenol red | Thermo Fisher | 21083027 | |
Lipofectamine 2000 | Thermo Fisher | 11668027 | |
Male Luer | in-house fabricated consisting of teflon | ||
Male Luer to Tube Connector | MEDNET | MTLS210-6005 | alternative to in-house fabricated male luers |
NaCl (5 M) | Thermo Fisher | AM9760G | |
Needleless Valve to Male Luer Connector | MEDNET | NVFMLLPC | |
NIS Elements | Nikon | Imaging software Version 5.02.00 | |
NOA81 | Thorlabs | NOA81 | Fast Curing Optical Adhesive for tube system assembly |
Opti-MEM | Thermo Fisher | 31985062 | |
PCO edge 4.2 M-USB-HQ-PCO | pco | ||
Phosphate buffered saline (PBS) | in-house prepared | ||
Plasma Cleaner | Diener Femto | Pico-BRS | |
PLL(20 kDa)-g[3.5]-PEG(2 kDa) | SuSoS AG | ||
silicon wafer mit mircorstructures | in-house fabricated | ||
Sola Light Engine | Lumencor | ||
sticky slide VI 0.4 | ibidi | 80608 | |
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning | 1673921 | |
Tango 2 | Märzhäuser | 00-24-626-0000 | |
Ultrapure water | in-house prepared | ||
uncoated coverslips | ibidi | 10813 | |
Injekt-F Solo, 1 mL | Omilab | 9166017V | with replacement sporn |
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