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* 이 저자들은 동등하게 기여했습니다
암 줄기 세포 이주를 조사하기위한 compartmentalizing 마이크로 유체 장치가 설명되어 있습니다. 이 소설 플랫폼은 가능한 세포 microenvironment를 생성 및 라이브 세포 운동의 미세 시각화 할 수 있습니다. 높은 운동성 암 세포는 잠재적으로보다 효과적인 미래의 치료로 이어지는 공격적인 침투 분자 메커니즘을 공부 절연되어 있습니다.
지난 40 년 동안 미국은 사망률 만 5 % 감소의 결과로, 암 연구에 억 200여 달러를 투자했습니다. 환자 결과를 개선하기위한 주요 장애물은 공격적인 암 세포 침입, 전이 및 치료 저항 1과 관련된 세포의 이주를 근간 메커니즘의 가난한 이해입니다. Glioblastoma Multiforme (GBM), 가장 널리 주요 악성 성인 뇌 종양이이 어려움을 예시. 표준 수술, 방사선 및 chemotherapies에도 불구하고, 환자의 평균 생존은 인접한 뇌 및 신속한 암 재발이에 적극적인 GBM의 침투로 인해 만 십오개월입니다. 비정상 세포 철새 메커니즘과 종양 microenvironment의 상호 작용 가능성이 세 정상 세포에서 암을 차별화. 따라서, GBM에 대한 치료 방법을 개선하는 것은 암 세포 이주 메커니즘에 대한 이해를 필요로합니다. 최근 작품 THA 제안GBM 내에서 세포의 타 작은 subpopulation, 뇌 종양의 줄기 세포 (BTSC)는 치료 저항 및 재발에 대한 책임 수 있습니다. BTSC 철새 용량의 근간이 메커니즘은 특징 1,4로 시작합니다.
육안 검사 및 기하학적 조작, 기존의 마이그레이션 assays 5 제한으로 인해 전체 세포 인구를 정량화으로 제한됩니다. 반면, 마이크로 유체 장치 때문에 현대적인 현미경과 미세 환경에 6-9 제어와의 호환성의 단일 세포 분석을 허용합니다.
우리는 compartmentalizing 마이크로 유체 장치를 사용하여 BTSC 마이그레이션에 대한 자세한 특성화를위한 방법을 제시한다. 이 PDMS 만든 장치는 세 연결된 구획에 조직 배양 환경을 캐스팅 : 챔버을 퍼 뜨리고 챔버을 받고 microchannels를 연결. 우리 둘 다 방 4-5 다에 대해 가능한 BTSC을 지원하기 위해 충분한 미디어를 개최하는 등의 장치를 맞는미디어 교환없이 YS. 처음 심는 챔버 내로 유입이 높은 모바일 BTSCs는 병렬 수신 챔버에 microchannels를 연결하지만 마이그레이션 후 절연되어 있습니다. 이 마이그레이션은 뇌의 중간 공간을 통해 암 세포의 확산을 시뮬레이션한다. 마이그레이션하는 동안 세포 형태학의 위상 라이브 이미지는 며칠 동안 기록됩니다. 높은 철새 BTSC 따라서, recultured 격리되고, 더 분석 할 수 있습니다.
Compartmentalizing microfluidics는 BTSCs 및 기타 암 줄기 세포의 이동 동작을 연구 할 수있는 다양한 플랫폼이 될 수 있습니다. 기울기 발전기, 유체 취급, 마이크로 전극 및 기타 비유동 모듈을 결합하여 이러한 장치는 약물 검사 및 질병 진단 6 사용하실 수 있습니다. 철새 세포의 공격적인 subpopulation의 절연은 분자 메커니즘의 기초 연구를 수있게 될 것입니다.
1. BTSC의 세포 분리
BTSCs는 neurospheres으로 혈청이없는 줄기 세포 매체에서 재배 기존의 문화에서 파생됩니다. 의 문화는 이전에 10, 11 설명되어 있습니다.
2. 이중 계층 스와-8 마스터와 PDMS 스탬프의 성형 제작 (그림 1 참조)
우리는 마이크로 유체 장치의 조립에 필수적인 스와-8 마스터와 PDMS 스탬프를 조작하는 광학 리소그래피와 부드러운 리소그래피를 사용합니다. 표준 절차 12보다 약간 다른, 우리의 스와-8 마스터는 두 층으로 구성되어 있습니다. 250 μm 높이 퍼 뜨리고 및 수신 챔버 두 번째 / 상위 레이어에있는 동안 3 μm 높이 microchannels은 이전 과정에서 아래 / 첫 번째 층에 주조되어 있습니다. 이 문화 구획 (microchannel 사이의 올바른 연결을 위해서는s와 챔버), 두 레이어가 정확하게 위치에 정렬해야합니다. 그러나, 두 번째 층의 두께와 불투명도는 아래 기능을 액세스 광학 / fiducial aligner를 차단 할 수있을만큼 큽니다. 여기 fiducial 마커가 원격 위치하고있는 마스크를 디자인합니다. 두 번째 레이어를 회전하는 동안 따라서, 첫 번째 레이어에서 이러한 마커는 선택적으로 차폐 될 수 있습니다. 그 결과, 기능을 모두 레이어가 하나의 마스터에서 만든되고 PDMS 스탬프의 얕은 돋을 새김으로 성형 준비.
3.마이크로 유체 장치 및 세포 배양의 조립 (그림 2)
문화 셀 위해, 기능 조각 PDMS 스탬프는 동봉 된 채널을 형성하기 위해 유리 coverslip에 부착되어 있습니다. 유입구 및 유출구는 문화 / 미디어를로드하기 위해 생성됩니다. 한편, 청소 및 유리 기판과 PDMS 스탬프를 다른 절차는 셀 호환성을 보장하기 위해 필요합니다.
4. BioStation IM (니콘 인스트루먼트 Inc의, 멜빌, USA)와 BTSC 이주의 장기 시간 경과 영상.
카메라를 결합, 소프트웨어 및 보육 모든 한 상자 안에서,이 미세 시스템은 일없이 방해와 이미지 세포 배양에이 가능합니다. 또한, 독특한 모터 설계 목적 렌즈를 이동하고 포인트 방문 기능에 고정 샘플 단계를 유지합니다. 이 높은 처리량 분석에 이미지 병렬 실험을 추적 세포 운동하는 것이 실용적 수 있습니다.
5. 대표 결과 :
compartmentalizing 마이크로 유체 장치를 사용하여 암 세포 이주의 육안 검사 및 특성의 예는 그림 3과 그림 4에 설명되어 있습니다. 세포 라인은 BTSC입니다. 현재 설치로는, 세포 배양의 위상 이미지는 지속적으로 오일 (그림 3)과 같은 긴 매 2 초 (그림 4)처럼 자주로에 대해 기록 할 수 있습니다. 오일 외에도, 문화 미디어가 삭제 영양 보충 및 폐기물에 대한 교체해야합니다. 우리의 장기 시간 경과는 형태학의 변화에 근거하여 마이그레이션하는 동안 여섯 세포 단계의 회전 순서를 식별합니다. illus으로그림 3 trated, 우리는 (i) 사전 마이그레이션하고, (ii) 개시은 (III) 경로 - 탐험, (IV)가, (V) 대상 - exloration와 (VI) 후 이주를 주행로에 대해 설명합니다. 수신 챔버에서 스핀들 모양의 세포는 성장 나누어 점진적으로 마이그레이션 할 수 있습니다 대량 종양에서와 같이 무대은 (i)에있어. 그들은 microchannel 입구에 접근함에 따라, 몇 전지는 무대를 진행 (II)는 접착제 돌출부를 확장하고 생성 할 때. 그 중 하나가 입구를 점유하고 마이그레이션 방향을 탐색 할 수 무대 (3)으로 이동 할 수 있습니다. 셀 마이그레이션 방향을 결정하면, 그것은 전체 microchannel을 통해 수행됩니다 지속적으로 높은 속도에서 microchannel을 통해 크루즈에 (IV) 단계로 진행. 단계 (VI) 그 다음에 챔버를받은 열린 공간을 탐험하고,하는 단계 (V)에 microchannel, 셀 수익의 끝에서. microchannel에서 마이그레이션 전력은 대부분,도 4에 도시 된 바와 같이 활동을 blebbing하여 amoeboid cel과 비슷 생성리터. 셀 blebbing와 막 변형이 완전히 여기에 기록됩니다.
그림 1. 마이크로 유체 장치의 제조의 설계도. 전체 과정은 소프트 리소그래피의 수정 기술을 통해 3 인치 실리콘 핸들 웨이퍼에 수행됩니다. 3 μm 높이 microchannels 및 정렬 마커는 첫 번째 레이어로 구성되어 있습니다. 정렬 마커는 스카치 테이프로 가득하는 동안 다음 250 μm 두께 스와-8은 나중에 두꺼운 포토 레지스트에 의해 시력을 차단하지 않고 aligner를 마스크에 액세스 할 수 있습니다 것과 같은, 스핀 - 코팅입니다. 따라서, 챔버 기능은 두 번째 레이어로 만들 수하고 정확하게 첫 번째 레이어에 정렬. PDMS 스탬프는 결국 결과 마스터를 성형하고 있습니다.
그림 2. 장치 어셈블리 및 세포 심는 과정의 설계도. PDMS와 GL에 의해 둘러싸여엉덩이 coverslip은 3D 배양 공간이 챔버, 저수지 및 microchannels로 구성되어 있습니다. 수신 챔버가 처음 셀 - 무료 미디어로 가득되는 동안 시딩 챔버는 세포 배양으로 가득합니다. 그들 사이에 연결 microchannels는 측면을받는에 심는 측에서 셀 마이그레이션 길을 제공합니다.
microchannel을 통해 그림 3. BTSC 마이그레이션. 어퍼 : 시간 경과의 스냅 샷은 하나의 셀 (녹색으로 강조 표시) 시딩 측에서 수신 측에 400 μm를 통해 마이그레이션을 보여줍니다. 전체 여행은 세포 형태학의 변경 순서를 포함, 약 2 일이 소요됩니다. 규모 바는 40 μm이다. 밑으로 여섯 가지 마이그레이션 단계의 만화 표현합니다. 사전 마이그레이션는 (i) : 시딩 챔버에서 스핀들 - 모양 dividable 세포는 점차 서로 함께 마이그레이션. 전지 본체 및 전자 편광으로 서로 microchannel 입학 경주 근처에있는 세포 lamellipodia의 돌출부를 xerting. 가입 (II) : 경쟁이 후퇴하는 동안 최고 용량과 철새 셀 채널 입구에 자리 잡고 있습니다. 경로 - 탐구 (III) : 약간의 극성과 amoeboid 모드로 철새 셀 변경됩니다. 이 마이그레이션 모드는 매우 운동성 작은 막 돌출부를 blebbing하여 모든 방향으로 경로를 탐색 할 수 있습니다. 크루즈 (IV) : 마이그레이션 경로가 결정되면, 세포 앞으로 제목 추가 큰 돌출부를 유지하여 적응 amoeboid 모드로 변환합니다. 이 방법은 셀은 높은 운동성뿐만 아니라 지속적으로 방향과 속도를지지. 대상 - 탐색 (V) : 경로 엔드시, 셀은 속도가 느려 및 공격 대상에 대한 수신 챔버를 둘러 filopodias을 개발하고 있습니다. 후 마이그레이션 (VI) : 수신 챔버를 입력 한 후 셀은 별 모양으로 변하기 높은 운동성 있지만 결정 방향을 유지합니다.
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. (AB) : 시간 경과의 그림 4 스냅 샷은 BTSC의 활동과 막 변형을 blebbing의 사이클을 보여줍니다. 개시 (BD). 확장 (DF). 철회. 화살표와 곡선 - 라인 방향과 막 변형의 위치, 각각을 나타냅니다. 스냅 샷은 모든 팔초를 수집하고 있습니다.
여기에 제시된 마이크로 유체 장치와 이미지 레코딩 기술은 마이그레이션하는 동안 세포 형태의 시각적 특성 수 있습니다. 기존의 기존의 방법에 비해, 마이크로 유체 플랫폼은 비용 효율성, 높은 처리량 및 설계 유연성의 장점을 제공합니다. 제시 미세 시각화 시스템은 장기 라이브 세포 이주의 연구와 기록을 할 수 있습니다. 렌즈 모터 기능은 샘플을 방해하지 않으면 서 이미지 해상도가 높은 여러 마이그레이션 경로를 추적 할 수있게.
장치의 조립 동안 PDMS 스탬프은 비 영구적으로 PDL 코팅의 편의 (단계 3.4)의 유리 coverslip에 접착합니다. 그것은이 프로토콜의 성공을 위해 좋은 인감를 달성하는 것이 중요합니다. 예를 기판에 도장이나 먼지 / 파편에 기포와 같은 장치 제조,에서 도입 오염 누출 유체의 결합과 결과를 위태롭게 할 수 있습니다. 따라서, treatiNG는 먼지없는 방식으로 장치는 장치 실패를 방지하는 것이 중요합니다. 이전 PDL 코팅에, 유리 coverslips는 질산이 취급하고 PDL 솔루션은 먼지 / 파편을 제거하기 위해 centrifuged 있습니다. 클린 룸에 액세스 할 수없는 경우 우리는, 알코올 린스, 스카치 테이프를 찾고, PDMS 스탬프의 먼지 / 이물질 제거에 물통 매우 도움이. PDMS 스탬프가 유리 coverslip과 접촉 한 후 핀셋으로 부드럽게 우표를 활용하면 인감을 용이하게한다.
BTSCs은 10 정상적인 신경 줄기 세포의 문화와 비슷한 줄기 세포 매체의 영역 문화를 통해 인간의 운영 객실 표본에서 풍부하게 할 수 있습니다. 이러한 방식으로 풍부한 BTSCs는 줄기 세포 마커의 표현 (CD133, nestin), 여러 신경 lineages (glial 및 neuronal)에 차별화, 100처럼 몇과 orthotopic immunodeficient 마우스 모델에서 종양 개시 등의 줄기 세포와 같은 속성을 보여줍니다 세포 18. 일부 논쟁이 purifi에 대해 존재하지만양이온과 BTSCs 1 19-21의 정비, 영역 자체 BTSCs 더 부모 종양 22-24의 표현형 및 유전자형을 유지합니다.
compartmentalized 공간은 셀 마이그레이션에 대한 생리적 환경을 모방 한 것이 었지요. 우리 장비에서 BTSC 세포 형태를 조절하여 크기 제약이 공간을 통해 이전의 강한 능력을 나타냅니다. 세포 형태학의 변화 우리의 특성은 인접한 뇌의 BTSC 침략의 가능한 새로운 자세한 설명을 모델링 할 수 있습니다 여섯 단계 순서 모드 - 변환을 나타냅니다. 초기 단계에서 전지 극성의 상당한 금액을 얻을 수 있으며 효율적으로 microchannel 내부에 자신을 고정 접착제 돌출부를 생성합니다. microchannel에서 셀 수용 인원이 이루어지면, 그것은 주행 모드로 변환하고 microchannel을 통해 전체 여행을 위해이 모드를 유지합니다. 이 단계에서, BTSC 높은 운동성하고 일관된 방향을 유지하지만, 에너지를 절약. 에terestingly, 그것은 microchannel 하나 그러한 한 번에 하나의 크루즈 세포로 제한되어 나타나면이 단계에 단세포 진행, microchannel에서 다른 세포의 휴양지. 이 메커니즘은 가능성이 확산 종양의 효율성을 보장하고 microchannel에 영양 overconsumption을 방지합니다. microchannel에서 마이그레이션을 완료 한 후, 셀 multidirectional 돌출부와 공격 대상 또는 새 마이그레이션 경로에 대한 자세한 탐사의 성향에 회복합니다. compartmentalizing 마이크로 유체 장치는 체외에서 소설은 뇌 실질의 BTSC 침투를 공부에 microenvironment을 만드는 것을 의미합니다.
이 방법은 쉽게 암 줄기 세포 (CSC) 및 기타 종양 유형에서 파생 된 철새 세포 라인의 연구에 적용 할 수 있습니다. 마이크로 유체 장치에서 배양 세포는 보육 및 조직 문화 전문 지식을 갖추고 있습니다 모든 현대 생물학 실험실에서 수행 할 수 있습니다. 스와-8 마스터, PDMS가 장착주조 및 장치 조립은 부드러운 리소그래피의 일부 기본 훈련 가능합니다. 또한이 플랫폼은 또한 그라데이션 믹서, 표면 패터닝, 유체 제어 및 microelectrode과 같은 다른 기능 모듈을 통합으로 다른 응용 프로그램 연장 될 수 있습니다.
관심 없음 충돌이 선언 없습니다.
PAC는 부분적으로 위스콘신 줄기 세포 연수 프로그램 (PA 클락)의 대학에 NIH T32 교부금으로 지원됩니다. JSK는 부분적으로 HEADRUSH의 뇌 종양 연구 교수, 로저 Loff 기념 GBM 연구 기금과 UW 재단 / 신경 외과 뇌 종양 연구 및 교육 기금에 의해 지원되었다. JCW와 YH는 부분적으로 NIH 보조금 NIBIB 1R01EB009103-01에 의해 지원됩니다.
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