diferenciação celular é regulada por uma série de fatores do microambiente, incluindo ambas as propriedades da composição da matriz e material de substrato. Descrevemos aqui uma técnica utilizando microarrays de células em conjunto com microscopia de força de tracção para avaliar tanto a diferenciação de células e as interacções célula-substrato biomecânicas como uma função do contexto microambiental.
microarrays celulares microfabricated, que consistem em combinações impressa contato de biomoléculas em uma superfície hidrogel elástico, fornecer um alto throughput sistema rigidamente controlado, projetado para medir o impacto de sinais bioquímicos dispostas na diferenciação celular. Esforços recentes utilizando microarrays de células têm demonstrado a sua utilidade para estudos combinatórios em que muitos fatores do microambiente são apresentados em paralelo. No entanto, estes esforços têm focado principalmente na investigação dos efeitos dos sinais bioquímicos sobre as respostas celulares. Aqui, apresentamos uma plataforma de microarray célula com propriedades materiais ajustáveis para avaliar tanto a diferenciação celular por interações de imunofluorescência e célula-substrato biomecânica por microscopia de força de tração. Para fazer isso, nós desenvolvemos dois formatos diferentes, utilizando hidrogéis de poliacrilamida de diferentes módulo de Young fabricado em ambos lâminas de microscópio ou placas de Petri com fundo de vidro. Nós fornecemos bespráticas t e solução de problemas para a fabricação de microarrays nesses substratos de hidrogel, a cultura de células subsequente sobre microarrays, e aquisição de dados. Esta plataforma está bem adequada para uso em investigações de processos biológicos para os quais tanto bioquímicos (por exemplo, a composição da matriz extracelular) e biofísico (por exemplo, rigidez) do substrato pistas podem desempenhar significativa, intersectando papéis.
As interacções entre células vizinhas e factores micro-ambientais mediar uma grande variedade de processos biológicos ao longo do desenvolvimento, homeostase e doenças patogénese 1, 2, 3, 4. Estas interacções incluem microambiente entrega de factores solúveis para as células, a ligação de células-matriz, e interacções célula-célula através da ligação ligando-receptor. Para além das considerações bioquímicas acima, os parâmetros biofísicas, tais como as propriedades mecânicas do substrato (por exemplo, o módulo de Young, a porosidade) e forma da célula, e mecanotransdução jusante associada têm cada vez mais ganhou reconhecimento como os principais mediadores da diferenciação celular da 5, 6, 7, 8, 9 <sup>, 10. Sinais resultantes dessas interações microambiente servem como entradas para redes de genes e vias de sinalização. Além disso, esses componentes da célula-intrínseca também fornecer feedback para o microambiente via fatores secretados e enzimas que degradam a matriz, completando um ciclo de co-regulação complexa entre programas genéticos de células-intrínseca e fatores do microambiente de células-extrínseca 5, 11, 12.
A utilização de sistemas de engenharia para a apresentação controlada de factores micro-ambientais mostrou-se útil numa variedade de contextos diferentes 13, 14, 15. Sistemas microfabricados em particular, têm facilitado modelação espacial precisa de proteínas e células, bem como a análise altamente paralelizado através miniaturização 13, <supclass = "xref"> 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. Microarrays celulares representam um tal sistema microfabricado em que combinações de biomoléculas são para um hidrogel de poliacrilamida substrato elástico 23, 24, 25 impressos-contacto. A inclusão de componentes de células-adesivo (nomeadamente proteínas da matriz) permite a adesão sustentada cultura de células e em microarrays, que é frequentemente seguida de análise a jusante através de imunocitoquímica e repórteres fluorescentes. Microarrays celulares foram produtiva orientada para alcançar uma melhor compreensão do fenótipo das células do fígado 23, 26, diferenciação neural precursor 27, Mammardecisões y progenitor destino 28, células-tronco embrionárias de manutenção / diferenciação 23, 29, 30, metástase de câncer de pulmão 31 e resposta terapêutica em pacientes com melanoma 32. Nós demonstramos recentemente, a utilização de microarranjos de células para definir o papel de matriz extracelular (ECM) na composição de proteína especificação endoderme 33, fígado progenitoras diferenciação 34, 35, e de tumor de pulmão de células 36 a resposta à droga. Nestes trabalhos, temos nos concentrado em estender as capacidades combinatórias da plataforma matriz e explorar as interseções de sinalização celular-intrínseca com composição da matriz extracelular e biomecânica. Além disso, temos implementado leituras biofísicos nesta plataforma de matriz para fornecer a capacidade de quantitativamente caracteterize o papel da contractilidade celular na diferenciação processa 35. Para fazer isso, integramos microscopia de força de tração (TFM) com microarrays de células para permitir a avaliação de alto rendimento de tração gerada por células. TFM é um método amplamente utilizado para medir forças de tração gerada por células e forneceu insights significativos sobre a coordenação de uma única célula e função em nível de tecido com a composição e biomecânica do microambiente local, 37, 38, 39, 40. Assim, combinando TFM com microarrays celulares fornece um sistema de alto rendimento para medir principais parâmetros biofísicos, fisiologicamente relevantes.
A plataforma de microarray celular aqui descrita consiste em quatro seções: a fabricação de substratos de poliacrilamida, fabricação de matrizes, cultura de células e leitura de ensaio e análise de dados. VejoA Figura 1 para um resumo esquemático dos primeiros três secções experimentais; veja a Figura 2 para um resumo esquemático da secção final com foco em análise de dados de imunofluorescência. A fim de adaptar a plataforma de microarray celular para estudos de interações-substrato celular biomecânicos, foram utilizados substratos de poliacrilamida de módulo ajustável de Young, mas porosidade semelhante, por Wen et al. 41. Para habilitar medições TFM de forças exercidas por células no seu substrato, foi implementado um formato de placa de Petri com fundo de vidro, além do microscópio de vidro grosso lâminas freqüentemente utilizada por outros grupos. Assim, esta plataforma de microarray célula é capaz de medições paralelas de diferenciação celular, através de imunofluorescência em lâminas de microscópio e as forças geradas por celulares via TFM em pratos com fundo de vidro separados. Temos também aplicadas várias melhorias para a abordagem analítica utilizada com microarrays celulares. specifically, em vez de paramétrico Z-pontuação da intensidade global ilha, medir a intensidade de uma única célula e aplicar a normalização quantil, a fim de explicar as distribuições não-normais e com mais precisão descrever o comportamento celular. Acreditamos que essas melhorias fornecem uma utilidade particular para com investigações de processos biológicos em que sinais bioquímicos e biofísicos jogar, papéis de interseção significativos. Além disso, os nossos melhorias analíticos permitir a aplicação de microarrays de células para estudos de uma série de funções celulares para os quais de uma única célula e comportamento de nível população divergem.
Nas nossas experiências, verificou-se que as deficiências mais comuns estão relacionados com a qualidade das matrizes fabricadas e mal caracterizado resposta no sistema biológico de interesse. Nós nos referimos ao leitor a Tabela 1 para os modos de falha comuns em experimentos de microarranjos celular e passos de resolução de problemas associados. Em relação à qualidade de matrizes em particular, recomendamos o seguinte. Confirmar a qualidade técnica e robustez do arraying programas, parâmetros e buffers usando moléculas fluorescente etiquetado como dextrano rodamina conjugada. pins completamente limpas antes ou depois predispor acordo com as instruções do fabricante e ainda verificar visualmente que os canais de pinos são livre de detritos usando um microscópio de luz. Confirmar retenção biomolécula vestida usando manchas de proteínas gerais ou imunomarcação. Note-se que as biomoléculas com um peso molecular abaixo de 70 kDa, não são frequentemente retidas em que o hidrogel 23, </ sup> 31. Validar células-funcionalidade biomolécula vestiu o uso de vários tipos de células. Note-se que apenas as células aderentes são compatíveis com matrizes; Além disso, a aderência a matrizes é dependente de ambas as propriedades específicas de células (por exemplo, o perfil de expressão de integrina) e as proteínas da MEC seleccionados.
Devido ao espaço limitado, que não forneceram um extenso tratamento de projeto matriz, layout, e fabricação aqui e remeter o leitor a trabalhos anteriores 23, 25. Geralmente usamos 100 subarrays pontos (150 de diâmetro mm local, 450 mm de distância de centro a centro), composto por 10-20 condições de biomoléculas exclusivos (ie, 5-10 pontos / condição). O número de submatrizes em uma matriz varia, dependendo do número de condições de biomoléculas de interesse, o que pode ser confortavelmente dimensionada até 1280 em uma lâmina de microscópio de 25 x 75 mm (~ 6.400 pontos em 64 submatrizes)refex "> 25, 31 Os parâmetros acima irão variar ainda mais, dependendo do tamanho padrão de interesse;. pinos capazes de gerar padrões de 75-450 | iM são facilmente disponíveis.
experimentos de matriz são melhor complementados pela validação de alta pontuação condições dispostas de interesse usando outros formatos cultura, leituras de ensaio e sistemas de modelos biológicos. Especificamente, recomendamos validar ainda mais os efeitos de selecionar condições dispostas utilizando culturas a granel em conjunto com técnicas de biologia molecular padrão (por exemplo, qRT-PCR, immunoblotting) ou TFM padrão. A manipulação genética (por exemplo, a sobre-expressão ou knockdown) do factor de interesse num sistema de modelo biológico adequado pode servir também para confirmar os efeitos observados em matrizes. Em modelos animais in vivo representam um outro meio de validação e foram recentemente utilizados, por exemplo, para confirmar o papel central da galectina-3 e galectina-8 emo cancro do pulmão metastático nicho, como inicialmente identificado através de microarray de células 31, 49.
Uma série de outros métodos têm sido utilizados para sondar regulação microambiental de funções celulares, incluindo uma variedade de dois-dimensional sistemas microfabricated 18, 50, 51, 52, 53, 54, 55 e tridimensionais sistemas de biomateriais engenharia 56, 57, 58 , 59, 60, 61. Em comparação com outros métodos, as vantagens particulares da plataforma de microarray de células descritas aqui consistem em: (1) saída de atécentenas ou milhares de diferentes combinações de factores, permitindo a análise dos efeitos de interacção; (2) acessíveis, de imagem e análise automatizada; (3) integração de ambas as leituras bioquímicas e biofísicas com apresentação controlada de factores dispostas; (4) capacidade de variar as propriedades do material de substrato; e (5) a análise de uma única célula de alto teor de destino e a função da célula.
Em resumo, a combinação de microarrays de células com TFM em substratos de rigidez do substrato sintonizável permite a caracterização completa de ambos os sinais bioquímicos e biofísicos. Tal como aqui apresentado, esta plataforma é generalizável e pode ser facilmente aplicado a uma variedade de tipos de células aderentes e contextos de tecido para uma melhor compreensão da regulação microambiental combinatória de diferenciação celular e mecanotransdução.
The authors have nothing to disclose.
Nós reconhecemos Austin Cyphersmith e Mayandi Sivaguru (Carl R. Woese Instituto de Biologia genômica, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign) para assistência com microscopia e para generosamente acomodar tela e captura de vídeo no centro de microscopia.
0.2 µm syringe filter | Pall Corporation | 4433 | Match with appropriately-sized Luer lock plastic syringes. |
100× penicillin–streptomycin solution | Fisher Scientific | SV30010 | |
22×60 mm coverglasses | Electron Microscope Sciences | 63765 | |
3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate (3-TPM) | Sigma-Aldrich | 440159 | Store under inert gas per manufacturer's instructions. Exposure of 3-TPM to air could compromise silanization of glass substrates. CAUTION: 3-TPM is a combustible liquid. Keep away from heat, sparks, open flames, and hot surfaces and use only in a chemical fume hood. |
3-[(3-Cholamidopropyl)dimethylammonio]-1-propanesulfonate hydrate (CHAPS) | Sigma-Aldrich | C3023 | |
35 mm glass-bottom Petri dishes | Cell E&G | GBD00002-200 | 13 mm well consisting of #1.5 coverglass. Enables TFM and live-cell imaging. |
384-well polypropylene V-bottom microplate, non-sterile | USA Scientific | 1823-8400 | |
6-well polystyrene microplates | Fisher Scientific | 08-772-1B | 35 mm glass-bottom Petri dishes fit into wells of microplate, easying array fabrication. |
Acetone | Sigma-Aldrich | 179973 | |
Acrylamide | Sigma-Aldrich | A3553 | CAUTION: Exposure to acrylamide can result in acute toxicity and irritation. Wear protective gloves, clothing, and eye protection. |
Collagen I, rat tail | EMD Millipore | 08-115MI | |
Collagen III, human | EMD Millipore | CC054 | |
Collagen IV, human | EMD Millipore | CC076 | |
Crosslinker, 365 nm | UVP | CL-1000 | |
Dextran, rhodamine B-conjugated, 70 kDa | ThermoFisher Scientific | D1841 | Used as a marker for array location. |
Dimethyl sulfoxide | Fisher Scientific | BP231 | |
Dulbecco's phosphate-buffered saline (PBS) | Fisher Scientific (HyClone) | SH3001302 | |
Ethyl alcohol | Decon Labs | 2701 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | ED | |
Fc-recombinant DLL1, mouse | R&D Systems | 5026-DL-050 | |
Fc-recombinant DLL4, mouse | AdipoGen | AG-40A-0145-C050 | |
Fc-recombinant JAG1, rat | R&D Systems | 599-JG-100 | |
Fibronectin, human | Sigma-Aldrich | F2006 | |
Fluorescent microscope, inverted | Zeiss | Axiovert 200M | Ensure microscope is equipped with a robotic stage for both automated fluorescent imaging and TFM. Environmental control (i.e., 37 °C and 5% CO2) is highly advisable for TFM. |
Fluoromount G with DAPI | SouthernBiotech | 0100-20 | |
Glacial acetic acid | Sigma-Aldrich | 695092 | CAUTION: Acetic acid is flammable and corrosive. Wear protective gloves, clothing, and eye protection. |
Glycerol | Sigma-Aldrich | M6145 | |
Irgacure 2959 | BASF Corporation | 55047962 | |
Laminin, mouse | EMD Millipore | CC095 | |
Methanol | Sigma-Aldrich | 179957 | |
Microarray scanner | GenePix | 4000B | Fluorophores must be Cy3- or Cy5-compatible. |
Microarrayer | Digilab | OmniGrid Micro | Other microarrayerse of similar or greater capability can readily be substituted. |
Microscope slides, 25×75 mm | Sigma-Aldrich | CLS294775X25 | ~0.9–1.1 mm thickness. |
N,N′-Methylenebisacrylamide (bisacrylamide) | Sigma-Aldrich | M7279 | CAUTION: Exposure to acrylamide can result in acute toxicity and irritation. Wear protective gloves, clothing, and eye protection. |
Paraformaldehyde (PFA), 16% v/v | Electron Microscope Sciences | RT15710 | Prepare PFA fresh (do not store) for optimal fixation. CAUTION: Exposure to PFA can result in acute toxicity and can also irritate or corrode skin on contact. Wear protective gloves, clothing, and eye protection and use only in a chemical fume hood. |
Protein A/G, recombinant | ThermoFisher Scientific | 21186 | |
Pyrex drying tray, 2000 ml | Fisher Scientific | 15-242B | |
Rectangular 4-chambered culture dish | Fisher Scientific (Nunc) | 12-565-495 | For cell culture on arrayed microscope slides. |
Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S2889 | |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 415413 | CAUTION: NaOH is highly caustic and can cause severe skin burns and eye damage. Wear protective gloves, clothing, and eye protection. |
Stealth pin for arraying | ArrayIt | SMP3 | Clean pins after each array run using the instructions of the manufacturer. Produces 150 micron domains; purchase other pin sizes (75–450 microns) as suited to your particular application. |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 |