Um protocolo para a cultura e manipulação do tecido embrionário do rato em um chip microfluido é fornecido. Aplicando pulsos de moduladores de via, este sistema pode ser usado para controlar externamente as oscilações de sinalização para a investigação funcional da sonorênese do mouse.
A segmentação periódica do mesoderme presomático de um embrião de camundongo em desenvolvimento é controlada por uma rede de vias de sinalização. Acredita-se que oscilações e gradientes de sinalização controlem o tempo e o espaçamento da formação do segmento, respectivamente. Embora as vias de sinalização envolvidas tenham sido estudadas extensivamente ao longo das últimas décadas, faltam evidências diretas para a função de sinalizar oscilações no controle da sonolosegênese. Para permitir a investigação funcional da dinâmica de sinalização, a microfluidics é uma ferramenta previamente estabelecida para a modulação sutil dessas dinâmicas. Com esta abordagem de entranão baseada em microfluidos, as oscilações de sinalização endógenas são sincronizadas por pulsos de moduladores de via. Isso permite a modulação, por exemplo, do período de oscilação ou da relação de fase entre duas vias oscilantes. Além disso, gradientes espaciais de moduladores de via podem ser estabelecidos ao longo do tecido para estudar como mudanças específicas nos gradientes de sinalização afetam a somitogênese.
O presente protocolo visa ajudar a estabelecer abordagens microfluídicas para os usuários iniciantes de microfluidos. Os princípios e equipamentos básicos necessários para configurar um sistema microfluido são descritos, e um design de chip é fornecido, com o qual um molde para geração de chips pode ser convenientemente preparado usando uma impressora 3D. Finalmente, como cultivar o tecido primário do rato em um chip microfluido e como entrar sinalizando oscilações para pulsos externos de moduladores de vias são discutidos.
Este sistema microfluido também pode ser adaptado para abrigar outros sistemas de modelos in vivo e in vitro , como gastruloides e organoides para investigação funcional de dinâmicas de sinalização e gradientes de morfógen em outros contextos.
O desenvolvimento é controlado pela comunicação intercelular através de vias de sinalização. Há apenas um número limitado de vias de sinalização que orquestram a formação complexa de tecidos e a diferenciação celular adequada no espaço e no tempo. Para regular essa infinidade de processos, as informações podem ser codificadas na dinâmica de uma via de sinalização, na mudança de uma via ao longo do tempo, como a frequência ou duração de um sinal1,2.
Durante a somitogênese, o tecido somiético é periodicamente segmentado a partir do mesoderme presomático (PSM)3. O PSM é organizado espacialmente por gradientes de Wnt, Fibroblast Growth Factor (FGF) e sinalização de ácido retinóico. No PSM anterior na frente de determinação, onde os sinais Wnt e FGF são baixos, as células são preparadas para diferenciação em somitas. A diferenciação ocorre quando uma onda de ativação transcricional atinge essa frente de determinação. Dentro da sinalização PSM, Wnt, FGF e Notch oscilam. As células vizinhas oscilam ligeiramente fora de fase, o que resulta em ondas de ativação transcricional oscilatória a jusante das vias Wnt, FGF e Notch viajando de PSM posterior para anterior. Em embriões de camundongos, uma onda transcricional atinge a frente de determinação aproximadamente a cada 2 h e inicia a formação de somite. Estudar a somitogênese por perturbação ou ativação de vias de sinalização pode ilustrar a importância dessas vias4,5,6,7,8,9. No entanto, para ser capaz de investigar a função da dinâmica de sinalização no controle do comportamento celular, é essencial modular sutilmente as vias de sinalização em vez de ativá-las permanentemente ou inibi-las.
Para modular temporalmente a atividade da via de sinalização dentro do embrião segmentante do rato, Sonnen et al. desenvolveram um sistema microfluido10. Este sistema permite o controle rigoroso dos fluxos de fluidos dentro de microcanais de um chip que contém a amostra biológica11. Para estudar a importância da dinâmica de sinalização para a segmentação adequada do PSM, essa configuração de microfluidos é utilizada para modular a dinâmica de sinalização do relógio de segmentação do mouse ex vivo. Ao pulsar sequencialmente ativadores de vias ou inibidores na câmara de cultura, o controle externo da dinâmica da sinalização Wnt, FGF e Notch é alcançado10. Por exemplo, é possível modificar o período de caminhos individuais e a relação de fase entre múltiplas vias de sinalização oscilatória. Utilizando imagens concomitantes em tempo real de repórteres de sinalização dinâmica, o efeito da entrada nas próprias vias, na diferenciação e na formação de somite pode ser analisado. Utilizando-se esse nível de controle sobre a dinâmica de sinalização, destacou-se a importância da relação de fase entre as vias de sinalização WNT e Notch durante a somitogênese10.
Os designs personalizados de chips permitem uma infinidade de opções para perturbações espessórias no ambiente local, por exemplo, formação estável de gradientes12,13,14,15, ativação/inibição pulsante10,16,17,18 ou perturbações localizadas19,20 . Os microfluidos também podem permitir uma leitura mais reprodutível e maior rendimento devido à automação do manuseio experimental21,22,23. O presente protocolo destina-se a levar microfluidos e entranagem de oscilações de sinalização endógena dentro dos tecidos para todos os laboratórios de ciências da vida padrão. Mesmo na ausência de equipamentos sofisticados para geração de chips, como sala limpa e equipamentos para litografia macia, chips microfluídicos podem ser fabricados e usados para responder a questões biológicas. Os moldes podem ser projetados usando o software CAD (Computer-aided Design, design auxiliado por computador) livremente disponível. Um molde para a geração de chips microfluidos, geralmente constituídos por polidimtilsiloxano (PDMS), pode ser impresso com uma impressora 3D, ou ser encomendado de empresas de impressão. Dessa forma, os chips microfluidos podem ser produzidos dentro de um dia sem a necessidade de equipamentos caros24. Aqui, é fornecido um design de chip, com o qual um molde para a entrada do relógio de segmentação do mouse em culturas ex vivo bidimensionais (2D) 25 pode ser impresso com uma impressora 3D.
Culturas on-chip e perturbações precisas, habilitadas por microfluidos, têm um potencial notável em desvendar os mecanismos moleculares de como as vias de sinalização controlam o comportamento multicelular. A dinâmica de sinalização e gradientes de morfógenos são necessários para muitos processos em desenvolvimento. Anteriormente, os laboratórios tinham células cultivadas, tecidos e organismos inteiros em chips microfluidos e protocolos para perturbação espostecular da cultura celular 2D são fornecidos em outros lugares12,26,27,28,29. A aplicação de microfluidos para modular ambientes locais em sistemas multicelulares abre novas perspectivas para perturbações espórias de alta produtividade e precisas. O campo dos microfluidos chegou agora a um ponto em que se tornou uma ferramenta não especializada, barata e facilmente aplicável para biólogos do desenvolvimento.
Aqui, é fornecido um protocolo para a entrada do relógio de segmentação do mouse aos pulsos de um inibidor de sinalização notch. Tal experimento consiste nas seguintes etapas: (1) geração de chip microfluido, (2) preparação de tubos e revestimento do chip, e (3) o experimento microfluido em si (Figura 1A). Pesquisas envolvendo sistemas de modelos vertebrados exigem aprovação ética prévia do comitê responsável.
Como a dinâmica de sinalização controla sistemas multicelulares tem sido uma questão de longa data no campo. A investigação funcional representa um desafio fundamental, pois essas dinâmicas devem ser sutilmente moduladas para permitir isso11. Esse controle temporal sobre perturbações de caminhos pode, em princípio, ser alcançado com a optogenética, que também permite um alto controle espacial34. No entanto, a optogenética requer o estabelecimento de ferramentas genéticas sofisticadas para a análise de cada via de sinalização em questão. O protocolo atual descrito aqui fornece uma ferramenta altamente versátil para a perturbação de qualquer via de sinalização. O experimento de microfluidos permite a aplicação de pulsos de drogas controlados temporalmente para investigar funcionalmente a dinâmica das vias de sinalização nas culturas teciduais. Aqui, o foco está no estudo da somitogênese nas culturas ex vivo , mas o protocolo pode ser adaptado para se adequar a qualquer outro modelo de sistemas.
Certas etapas do protocolo são fundamentais para realizar um experimento de microfluidos bem sucedido (resumido na Tabela 1). Pontos-chave são discutidos da seguinte forma. Devido ao fluxo médio durante o experimento, a cultura tecidual experimenta o estresse de cisalhamento. A exposição do sistema modelo ao fluxo contínuo pode causar estresse celular e, em casos extremos, a morte celular devido ao efeito de cisalhamento. Para as culturas de tecido ex vivo dos tailbuds do mouse e o design atual do chip, foi encontrada uma taxa de fluxo de 60 μL/h (máximo de 100 μL/h) para funcionar bem com efeito de cisalhamento mínimo. Quando várias bombas são ligadas simultaneamente para o mesmo chip, a taxa de fluxo das bombas individuais precisa ser ajustada de acordo para não causar um aumento na taxa de fluxo total. Quando o protocolo atual é adaptado a outros sistemas de modelos e projetos de chips, a taxa de fluxo deve ser otimizada. Alternativamente, é possível não lavar o meio continuamente, mas mudar periodicamente o meio no chip35. Tal configuração também pode ser aplicada para controlar oscilações de sinalização na somitogênese do mouse (dados não mostrados, não mostrados). Além disso, também pode ser imaginada uma configuração, na qual as culturas teciduais não são expostas ao fluxo direto de fluidos, mas as drogas chegam ao tecido por difusão de um canal vizinho. Tais sistemas têm sido utilizados com sucesso para aplicar gradientes de fatores de crescimento a modelos in vitro de diferenciação ESC14,36.
Uma grande questão dos experimentos microfluidos é a ocorrência de bolhas de ar no chip durante o experimento. Bolhas de ar dentro do chip ou tubo podem interferir com o fluxo líquido uniforme no chip e podem levar à remoção da cultura embrionária de sua localização. Para evitar a presença de bolhas de ar, várias etapas do protocolo são indispensáveis. Em primeiro lugar, o meio de cultura dentro das seringas e o chip microfluido em si deve ser desgassed usando um dessecador (passo 3.1.3). Em segundo lugar, ao carregar amostras nas entradas de carregamento, deve-se ter cuidado para não colocar o ar no chip junto com a amostra (etapa 3.2.3). Em terceiro lugar, ao encher a tubulação com médio, todas as bolhas de ar devem ser bombeadas antes de anexar o chip (etapa 3.3.2). Caso contrário, essas bolhas serão empurradas para dentro do chip principal durante o experimento. Por fim, durante o experimento, o meio é equilibrado dentro da câmara de imagem ou incubadora devido à tubulação semi-permeável. A permeabilidade do tubo também permite a evaporação do meio, por isso certifique-se de que a umidade seja regulada durante o experimento para evitar a formação de novas bolhas na tubulação.
Em geral, a microfluidics é uma ferramenta altamente versátil que pode ser adaptada à questão específica do pesquisador. A abordagem de design atual permite imagens de até 12 culturas ex vivo em paralelo por chip. Este número é limitado principalmente pelo número de embriões por experimento e pelo tempo que leva para imaginar cada cultura de embrião com resolução suficiente. Se várias condições precisarem ser comparadas em um único experimento, vários chips podem ser montados em um único slide de vidro. É fornecido um design de chip, ideal para imagens de múltiplas explicações teciduais em paralelo, mas projetos personalizados podem superar limitações no número de amostra para permitir análises de alto rendimento e aumentar a combinação de mais condições dentro de um único experimento16,17. Os microfluidos se limitam a modelos que podem ser cultivados em um chip e a cultura on-chip terá que ser otimizada para cada sistema modelo individualmente27,37,38.
Nos últimos 5 a 10 anos, microfluidos têm sido aplicados para abordar várias questões biológicas devido ao seu potencial de abordagens de alta produtividade e modulações sutis de dinâmica de sinalização e gradientes. Atualmente, os microfluidos tornaram-se uma ferramenta facilmente aplicável, barata e versátil que os laboratórios podem estabelecer com facilidade. Aqui, o protocolo atual é otimizado para uma aplicação específica, ou seja, estudando a dinâmica de sinalização que rege a somitogênese. É simples adaptar este protocolo e design para se adequar a questões individuais de pesquisa em biologia tecidual.
The authors have nothing to disclose.
Somos gratos a Yang Li e Jos Malda do UMC Utrecht por ajuda com a impressão 3D de moldes, Karen van den Anker do grupo Sonnen por feedback muito útil sobre o protocolo, e Tjeerd Faase da oficina mecânica no Instituto Hubrecht para o suporte de chips microfluídicos dentro do microscópio. Gostaríamos de agradecer a todo o grupo Sonnen pela leitura crítica do manuscrito e dos revisores por seu feedback construtivo. Este trabalho recebeu financiamento do Conselho Europeu de Pesquisa sob um acordo de concessão inicial da ERC nº 850554 à K.F.S.
10 mL syringe | Becton, Dickinson and company | 300912 | |
184 Silicon Elastomer curing agent | SYLGARD | 1673921 | |
184 Silicon Elastomer PDMS | SYLGARD | 1673921 | |
3 ml syringes | Becton, Dickinson and company | 309657 | |
Adhesive tape | Scotch Magic tape or similar | ||
Blunt-tip forceps Bochem 18/10 Stainless steel | Fisher Scientific | 10663341 | |
Bovine Serum albumin Lyophilised pH~7 | Biowest | P6154 | |
Compressed air system | |||
Crystallizing dish | VWR | 10754-7 | Sterilized |
D-(+)-Glucose 45% | Sigma | G8769 | |
Desiccator | VWR | 467-0104 | |
Disposable cups | Duni | 173 941 | |
Disposable forks | Staples | 511514 | |
Dissection equipment | |||
DMEM/F12 | Cell culture technologies | custom | DMEM/F-12, no phenol red, no L-glutamine, no Glucose |
Fibronectin | Sigma | F1141-5MG | |
Flow hood BioVanguard Greenline | CleanAir by Baker | 511514 | For UV light source |
Glass slide No 1.5H high precision, 70×70 mm | Marienfeld | 107999098 | |
HEPES Buffer | Gibco | 15630-056 | |
L-glutamine | Gibco | 25030024 | |
Microscope | Leica | Leica SP8 MP | |
Needles 22G | Becton, dickinson and company | z412139-100EA | |
Oven | VWR | 390-09 | |
PBS0 | |||
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15070063 | |
Plasma oven Femto | Diener electronic | ||
Punch Ø 1mm | Uni-Core | WB100073 | |
Scale | Sartorius | Entris | |
Syringe pump | WPI | AL-4000 | |
Tubing Ø 1mm | APT | AWG24T | |
Vacuum pump | VWR | 181-0308 |