דפוס של מיקרואורגניזמים ומיקרו-חלקיקים באמצעות הרכבה בסיוע נימים רציפים
Summary
אנו מציגים טכנולוגיה המשתמשת בהרכבה בסיוע נימי בפלטפורמה מיקרופלואידית כדי לעצב עצמים בגודל מיקרו המושעים בנוזל, כגון חיידקים וקוליואידים, למערכים שנקבעו על מצע פולידימתילסילוקסן.
Abstract
דפוס מבוקר של מיקרואורגניזמים לסידורים מרחביים מוגדרים מציע אפשרויות ייחודיות למגוון רחב של יישומים ביולוגיים, כולל מחקרים של פיזיולוגיה מיקרוביאלית ואינטראקציות. ברמה הפשוטה ביותר, דפוס מרחבי מדויק של מיקרואורגניזמים יאפשר הדמיה אמינה וארוכת טווח של מספר גדול של תאים בודדים וישנה את היכולת לחקור באופן כמותי אינטראקציות מיקרואורגניזמים תלויות מרחק. באופן ייחודי יותר, צימוד דפוס מרחבי מדויק ושליטה מלאה על התנאים הסביבתיים, כפי שמוצע על ידי טכנולוגיה מיקרופלואידית, יספק פלטפורמה רבת עוצמה ורב-תכליתית למחקרים של תאים חד-תאיים באקולוגיה מיקרוביאלית.
מאמר זה מציג פלטפורמה מיקרופלואידית לייצור דפוסים רב-תכליתיים ומוגדרים על-ידי המשתמש של מיקרואורגניזמים בתוך ערוץ מיקרופלואידי, המאפשרים גישה אופטית מלאה לניטור ארוך טווח בעל תפוקה גבוהה. טכנולוגיה מיקרופלואידית חדשה זו מבוססת על הרכבת חלקיקים בסיוע נימים ומנצלת את כוחות הנימים הנובעים מהתנועה המבוקרת של השעיה מתאדה בתוך ערוץ מיקרופלואידי להפקדת עצמים מיקרו-זעירים בודדים במערך של מלכודות שעברו מיקרו-פבריקאט על מצע פולידימתילסילוקסן (PDMS). תצהירים רציפים יוצרים את הפריסה המרחבית הרצויה של סוגים בודדים או מרובים של אובייקטים בגודל מיקרו, המוכתבים אך ורק על ידי הגיאומטריה של המלכודות ורצף המילוי.
הפלטפורמה כויל באמצעות חלקיקים קולואידיים מממדים וחומרים שונים: היא הוכיחה את עצמה ככלי רב עוצמה ליצירת דפוסים קולואידיים מגוונים ולבצע פונקציונליזציה של פני השטח של חלקיקים לכודים. יתר על כן, הפלטפורמה נבדקה על תאים מיקרוביאליים, באמצעות תאי קולי Escherichia כחיידק מודל. אלפי תאים בודדים עוצבו על פני השטח, וצמיחתם הייתה במעקב לאורך זמן. בפלטפורמה זו, צימוד של תצהיר חד-תאי וטכנולוגיה מיקרופלואידית מאפשר הן דפוס גיאומטרי של מיקרואורגניזמים והן שליטה מדויקת בתנאים הסביבתיים. כך הוא פותח צוהר לפיזיולוגיה של חיידקים בודדים ולאקולוגיה של אינטראקציות מיקרואורגניזמים, כפי שמוצג בניסויים ראשוניים.
Introduction
דפוס מרחבי של מיקרואורגניזמים בודדים, במיוחד בתוך זירות ניסיוניות המאפשרות שליטה מלאה על תנאים סביבתיים, כגון מכשירים מיקרופלואידיים, רצוי מאוד במגוון רחב של הקשרים. לדוגמה, סידור מיקרואורגניזמים למערכים קבועים יאפשר הדמיה מדויקת של מספר רב של תאים בודדים וחקר צמיחתם, פיזיולוגיה, ביטוי גנים בתגובה לגירויים סביבתיים ורגישות לתרופות. זה גם יאפשר ללמוד אינטראקציות תא-תאים של עניין מיוחד במחקר לתוך תקשורת סלולרית (למשל, חישת מניין), האכלה צולבת (למשל, סימביוזה אצות-חיידקיות), או אנטגוניזם (למשל, אלופתיה), עם שליטה מלאה על לוקליזציה מרחבית של תאים ביחס זה לזה. מחקרי פיזיולוגיה ואבולוציה של תאים1, מחקרי אינטראקציה בין תאים2, סינון בידול פנוטיפי3, ניטור סביבתי4 והסרת סמים5 הם בין התחומים שיכולים להפיק תועלת רבה מטכנולוגיה המסוגלת להשיג ניתוח כמותי כזה של תא בודד.
מספר אסטרטגיות לבודד ולטפל בתאים בודדים הוצעו בשנים האחרונות, החל ממלכודות אופטיות הולוגרפיות6 ושיטות פונקציונליזציה של פני השטח הטרוגניים7,8,9,10 ועד כימותרפיה חד-תאית11 ומיקרופלואידיקה טיפתית12. שיטות אלה הן תובעניות מאוד מבחינה טכנית או משפיעות על פיזיולוגיית התא ואינן מספקות פלטפורמה בעלת תפוקה גבוהה למיקרואורגניזמי דפוס שניתן ללמוד לאורך תקופות ארוכות, מה שמבטיח רזולוציה של תא יחיד, גישה אופטית מלאה ושליטה על התנאים הסביבתיים. מטרת מאמר זה היא לתאר פלטפורמה לתבנית חיידקים עם דיוק מיקרומטרי לסידורים מרחביים שנקבעו על משטח PDMS באמצעות הרכבה בסיוע נימים. פלטפורמה זו מאפשרת דפוס מרחבי מדויק וגמיש של חיידקים ומאפשרת גישה אופטית מלאה ושליטה על התנאים הסביבתיים, הודות לאופי המיקרופלואידי שלה.
הטכנולוגיה שמאחורי פלטפורמה זו היא טכנולוגיית הרכבה שפותחה בשנים האחרונות, בשם sCAPA13,14,15 (הרכבת חלקיקים בסיוע נימים רציפים) ששולבה בפלטפורמה מיקרופלואידית16. המניסקוס של טיפת נוזל מתאדה, בעודו נסוג מעל מצע פולידימתילסילוקסן (PDMS) בדוגמת פולידימתילסילוקסן (PDMS) בתוך ערוץ מיקרופלואידי, מפעיל כוחות נימיים הלוכדים את החלקיקים הקולואידיים הבודדים התלויים בנוזל לתוך בארות מיקרומטריות המיקרו-פבריות על המצע (איור 1A). חלקיקים מושעים מועברים תחילה לממשק נוזל האוויר על ידי זרמים קונבנציונליים ולאחר מכן ממוקמים לתוך המלכודות על ידי נימים. כוחות נימיים המופעלים על ידי פעולת המניסקוס הנע בקנה מידה גדול יותר בהשוואה לכוחות המעורבים באינטראקציות חלקיקים.
לפיכך, מנגנון ההרכבה אינו מושפע מהחומר, הממדים ומאפייני השטח של החלקיקים. פרמטרים כגון ריכוז חלקיקים, מהירות המניסקוס, הטמפרטורה ומתח פני השטח של ההשעיה הם הפרמטרים היחידים המשפיעים על התשואה של תהליך הדפוס. הקורא יכול למצוא תיאור מפורט של ההשפעה של הפרמטרים הנ”ל על תהליך הדפוס ב13,14,15. בטכנולוגיית sCAPA המקורית13,14,15, תהליך התבנית הקולואידית בוצע במערכת פתוחה ודרש שלב פיזואלקטרי ברמת דיוק גבוהה כדי להניע את המתלה על פני התבנית. פלטפורמה זו מנצלת אסטרטגיה שונה ומאפשרת לדפוס להתבצע עם ציוד סטנדרטי המשמש בדרך כלל במיקרופלואידיקה בסביבה מבוקרת, ובכך ממזערת את הסיכונים של זיהום הדגימות.
פלטפורמה מיקרופלואידית זו עברה אופטימיזציה תחילה על חלקיקים קולואידיים כדי ליצור מערכים קבועים של חלקיקים אינרטיים ולאחר מכן הוחלה בהצלחה על חיידקים. שתי הפלטפורמות המיקרופלואידיות מתוארות במאמר זה (איור 1B, C). רוב שלבי ההכנה והציוד הניסיוני המתואר בפרוטוקול נפוצים בשני היישומים (איור 2). אנו מדווחים על דפוס קולואידי כדי להדגים שניתן להשתמש בטכניקה לביצוע תצהירים רציפים מרובים על אותו משטח כדי ליצור דפוסים מורכבים ורב-חומריים. בפרט, חלקיק אחד בודד הופקד לכל מלכודת עבור כל שלב כדי ליצור מערכים קולואידיים עם גיאומטריה וקומפוזיציה ספציפיים, המוכתבים אך ורק על ידי הגיאומטריה ורצף המילוי של המלכודות. באשר לעיצוב חיידקי, תצהירים בודדים מתוארים, וכתוצאה מכך חיידק אחד מופקד לכל מלכודת. ברגע שתאים מעוצבים על פני השטח, הערוץ המיקרופלואידי נשטף במדיום כדי לקדם את צמיחת החיידקים, השלב הראשוני של כל מחקר של תא בודד.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפלטפורמה המיקרופלואידית המתוארת כאן מאפשרת דפוס של עצמים בגודל מיקרו, כגון קולואידים וחיידקים, לסידורים מרחביים שנקבעו על מצע PDMS. השליטה המלאה על התנאים הסביבתיים המוצעים על ידי מיקרופלואידיקה והיכולת לעצב תאים עם דיוק מיקרומטרי המוענק על ידי טכנולוגיית sCAPA הופכת אותו לפלטפורמה מבטיחה…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מכירים בתמיכת מענק הפרימה של SNSF 179834 (ל- E.S.), מענק מחקר ETH-15 15 17-1 (R. S.), ופרס החוקר של קרן גורדון ובטי מור על סימביוזה מיקרוביאלית מימית (מענק GBMF9197) (R. S.). המחברים מודים לד”ר מיגל אנג’ל פרננדז-רודריגז (אוניברסיטת גרנדה, ספרד) על הדמיית SEM של חיידקים ועל הדיונים התובנות. המחברים מודים לד”ר ג’ן נגוין (אוניברסיטת קולומביה הבריטית, קנדה), ד”ר לורה אלוורז (ETH ציריך, שווייץ), קמרון בוגון (ETH ציריך, שווייץ) וד”ר פאביו גרילו על הדיונים התובנות.
Materials
| Alcatel AMS 200SE I-Speeder | Alcatel Micro Machining System | deep reactive ion exchange system | |
| Alconox | detergent | ||
| AZ400K developer | MicroChemicals | AZ400K | |
| BD 10 mL Syringe (Luer-Lock) | BD | 300912 | used to flush fresh Lysogeny broth into the microfluidic channel |
| Box Incubator | Life Imaging Services | used to ensure a uniform and constant temperature in the channel | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5424R | used to replace the overnight media with fresh minimal media |
| Centrifuge vial | Eppendorf | 30120086 | 1.5 mL |
| CETONI Base 120 | CETONI GmbH | syringe pump | |
| Fluorescent PS particles of diameter 0.98 µm (red) | microParticles GmbH | PS-FluoRed-Fi267 | |
| Fluorescent PS particles of diameter 1.08 µm (green) | microParticles GmbH | PS-FluoGreen-Fi182 | |
| Fluorescent PS particles of diameter 2.07 µm (green) | microParticles GmbH | PS-FluoGreen-Fi183 | |
| Fluorescent PS particles of diameter 2.08 µm (red) | microParticles GmbH | PS-FluoRed-Fi180 | |
| Gigabatch 310 M | PVA TePla | used to plasma treat a 10 cm silicon wafer | |
| H401-T-CONTROLLER | Okolab | controller of the heated glass plate | |
| H601-NIKON-TS2R-GLASS | Okolab | heated glass plate | |
| Heidelberg DWL 2000 | Heidelberg Instruments | UV direct laser writer | |
| Insulin syringes, U 100, with luer | Codan Medical ApS | CODA621640 | 1 mL syringe used to withdraw the liquid suspension during the patterning process |
| Klayout | Opensource | used to design the features on the silicon master | |
| LB Broth, Miller (Luria-Bertani) | Fisher Scientific | 244610 | Lysogeny broth flushed into the microfluidic channel |
| Masterflex transfer tubing | Masterflex | HV-06419-05 | 0.020'' ID, 0.06'' OD |
| MOPS (10x) | Teknova | M2101 | diluted tenfold with milliQ water and used to replace the overnight medium |
| Nikon Eclipse Ti2 | Nikon Instruments | microscope | |
| openSCAD | Opensource | used to design the mold | |
| OPTIspin SB20 | ATM group | 51-0002-01-00 | spin developer |
| Plasma chamber Zepto | Diener Electronic | ZEPTO-1 | used to plasma treat the template and microchannel to bond them |
| Positive photoresist AZ1505 | MicroChemicals | AZ1505 | |
| Potassium phosphate dibasic | Sigma Aldrich | P3786 | added to MOPS 1x |
| Prusa curing and Washing machine CW1S | Prusa | used to ensure all polymer is cured and uncured polymer is removed from the mold | |
| Prusa Resin – Tough | Prusa Research a.s. | UV photosensitive 405nm liquid resin for 3D printing | |
| Prusa SL1 3d printer | Prusa | used to print the mold | |
| Scale | VWR-CH | 611-2605 | used to weight PDMS mixture |
| Silicon wafer (10 cm) | Silicon Materials Inc. | N/Phos <100> 1-10 Ω cm | |
| Süss MA6 Mask aligner | SUSS MicroTec Group | used to align the chrome-glass mask and the substrate, and expose the substrate | |
| Sylgard 184 | Dow Corning | silicone elastomer kit; curing agent | |
| Techni Etch Cr01 | Technic | chromium etchant | |
| Trichloro (1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyl) silane | Sigma Aldrich | 448931 | used to silianize the 3D printed mold |
| TWEEN 20 | Sigma Aldrich | P1379 | used to ensure an optimal receding contact angle during the patterning process |
| Veeco Dektak 6 M | Veeco | profilometer | |
| VTC-100 Vacuum Spin Coater | MTI corporation | vacuum spin coater |
References
- Choi, C. H., et al. Preparation of bacteria microarray using selective patterning of polyelectrolyte multilayer and poly(ethylene glycol)-poly(lactide) deblock copolymer. Macromolecular Research. 18 (3), 254-259 (2010).
- Smriga, S., Fernandez, V. I., Mitchell, J. G., Stocker, R. Chemotaxis toward phytoplankton drives organic matter partitioning among marine bacteria. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (6), 1576-1581 (2016).
- Thomas, C. M., Nielsen, K. M. Mechanisms of, and barriers to, horizontal gene transfer between bacteria. Nature Reviews Microbiology. 3 (9), 711-721 (2005).
- Suo, Z., Avci, R., Yang, X., Pascual, D. W. Efficient Immobilization and patterning of live bacterial cells. Langmuir. 24 (8), 4161-4167 (2008).
- Kane, B. J., Zinner, M. J., Yarmush, M. L., Toner, M. Liver-specific functional studies in a microfluidic array of primary mammalian hepatocytes. Analytical Chemistry. 78 (13), 4291-4298 (2006).
- Akselrod, G. M., et al. Laser-guided assembly of heterotypic three-dimensional living cell microarrays. Biophysical Journal. 91 (9), 3465-3473 (2006).
- Cerf, A., Cau, J. C., Vieu, C., Dague, E. Nanomechanical properties of dead or alive single-patterned bacteria. Langmuir. 25 (10), 5731-5736 (2009).
- Cerf, A., Cau, J. C., Vieu, C. Controlled assembly of bacteria on chemical patterns using soft lithography. Colloids and Surfaces: B Biointerfaces. 65 (2), 285-291 (2008).
- Rozhok, S., et al. Attachment of motile bacterial cells to prealigned holed microarrays. Langmuir. 22 (26), 11251-11254 (2006).
- Xu, L., et al. Microcontact printing of living bacteria arrays with cellular resolution. Nano Letters. 7 (7), 2068-2072 (2007).
- Ingham, C. J., et al. The micro-Petri dish, a million-well growth chip for the culture and high-throughput screening of microorganisms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (46), 18217-18222 (2007).
- Moffitt, J. R., Lee, J. B., Cluzel, P. The single-cell chemostat: an agarose-based, microfluidic device for high-throughput, single-cell studies of bacteria and bacterial communities. Lab on a Chip. 12 (8), 1487-1494 (2012).
- Ni, S., Isa, L., Wolf, H. Capillary assembly as a tool for the heterogeneous integration of micro- and nanoscale objects. Soft Matter. 14 (16), 2978-2995 (2018).
- Ni, S., Leemann, J., Buttinoni, I., Isa, L., Wolf, H. Programmable colloidal molecules from sequential capillarity-assisted particle assembly. Science Advances. 2 (4), 1501779 (2016).
- Ni, S., Leemann, J., Wolf, H., Isa, L. Nanoparticle Insights into mechanisms of capillary assembly. Faraday Discussions. 181, 225-242 (2014).
- Pioli, R., et al. Sequential capillarity-assisted particle assembly in a microfluidic channel. Lab on a Chip. 21 (5), 888-895 (2021).
- Geissler, M., et al. Fabrication of metal nanowires using microcontact printing. Langmuir. 19 (15), 6301-6311 (2003).
- Wang, Y., et al. Systematic prevention of bubble formation and accumulation for long-term culture of pancreatic islet cells in microfluidic device. Biomedical Microdevices. 14 (2), 419-426 (2012).
- Crowley, L. C., et al. Measuring cell death by propidium iodide uptake and flow cytometry. Cold Spring Harbor Protocols. 7, 647-651 (2016).
