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.2019年3月29日：13:214-228。
doi:10.1016/j.isci.2019.02.021。 Epub 2019年2月27日。

粘节点孔传感：表征上皮细胞粘弹性特性的微流体流变学平台

金正勋（Junghyun Kim） 1, 李民斌 2, 奥利维娅·谢德勒 2, 金永彬（Youngbin Kim） 三, 莉迪亚·L·桑 4
附属公司

粘节点孔传感：表征上皮细胞粘弹性特性的微流体流变学平台

金正勋（Junghyun Kim）等。 i科学. .

摘要

细胞的粘弹性特性提供了有关生物或临床相关细胞特征的宝贵信息。在这里，我们介绍了一种新的基于电子的微流控平台——visc-node-poresensing（visco-NPS）——它量化了周期变形下细胞的粘弹性特性。我们测量电池的储存模量（G'）和损耗模量（G〃）（分别为弹性和粘度）。通过应用广泛的变形频率，我们的平台量化了粘弹性特性的频率依赖性。G’和G〃测量表明，恶性乳腺上皮细胞（MCF-7）的粘弹性性质与非恶性乳腺上皮细胞（MCF-10A）的粘弹性性质明显不同。由于其敏感性，viso-NPS可以剖析不同细胞骨架成分对全细胞力学性能的个别贡献。此外，viso-NPS可以量化细胞在细胞周期中的机械转变，或在细胞开始向上皮-间充质转变时的机械转变。Visco-NPS确定了细胞群的粘弹性特征，提供了对细胞行为的生物物理理解和临床应用潜力。

关键词：分析化学；生物力学；细胞；流体学。

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数字

无
图形摘要
图1
图1
粘-NPS原理（A）粘-NPS的摄影图像。该平台由一个微流控通道的PDMS模具组成，该模具与带有预定义电极（蓝色虚线框）的玻璃基板相连。（B） 微流体通道的示意图，它有三个主要特征：孔、节点和正弦收缩通道（绿色虚线框）。外电极在通道上施加直流电压，内电极对测量通道上的电流。平面内过滤器具有25微米的间隙，可防止细胞团进入收缩通道。插图显示了收缩通道的正弦几何形状。渠道宽度(w个c（c）)逐渐变化为余弦函数（w0+α科斯(ωt） ）。L（左）第页,w个0,α,和ω分别对应于收缩通道的周期长度、初始宽度、应变幅度和变形频率。（C） 微流体通道每个区域中MCF-10A细胞的时间快照，时间序列由红色箭头指示（有关详细信息，请参阅视频S1）。因为w个c（c）（=8.75+1.5cos(ωt） ）沿渠道长度逐渐变化(L（左）第页=1000μm），则肉眼无法看到收缩通道的正弦几何形状（图S1）。（D） 通过微流体通道的细胞产生的预期电流脉冲。Δ我净现值和Δ我c（c）对应于细胞通过节点孔和收缩通道时的电流降。收缩通道宽度的周期性变化使电流降呈正弦函数形状（红色实线）。ΔT型c（c）表示细胞通过整个收缩通道的持续时间。插图显示了MCF-7细胞通过微流体通道产生的实际电流脉冲L（左）第页=500μm，流速1.89 mm三/最小值，以及w个c（c）10.5+1.5cos(ωt） ●●●●。参见图S1–S3；另见表S1和S2。
图2
图2
乳腺上皮细胞的应用有效频率和粘弹性特性（A和B）应用有效变形频率(ω)（A）MCF-7和（B）MCF-10A细胞(n个=所有情况下为100）。L（左）第页和v（v）孔隙分别对应于收缩通道长度的周期和收缩通道前孔隙的流速。通过更改L（左）第页和v孔隙，我们可以调整细胞在收缩通道中经历的ω。误差条表示标准偏差。（C） 储存(G公司′，实心圆）和损耗(G公司〃，空圈）MCF-7和MCF-10A细胞的模量(n个=所有情况下为100）。插图（左上）显示了G公司”。实线和虚线表示存储和损耗模量相对于有效变形频率的幂律结构阻尼模型（方程式7）(ω)分别是。MCF-7细胞的幂律指数较小(α=0.44±0.006）比MCF-10A细胞(α=0.69±0.005）（详细信息见表1）。总体而言，MCF-10A细胞显示G公司'与MCF-7细胞相比。两种细胞系都有更大的G公司'值大于G公司”值。在主图中，x轴和y轴上的误差条对应于标准偏差。在插图中，x轴和y轴上的误差条分别对应于标准偏差和标准误差。另请参见图S4–S7。
图3
图3
肌动蛋白丝对细胞粘弹性特性的贡献（A）茉莉糖苷（Jas）和latrunculin B（LatB）处理后MCF-7细胞的荧光图像。为了进行比较，还包括未处理细胞的荧光图像（Ctrl）。分别用4′，6-二氨基-2-苯基吲哚（DAPI，蓝色）和罗丹明-阴茎肽（红色）染色细胞核和肌动蛋白丝。比例尺，10μm。（B） 存储模量(G公司′）不同有效变形频率范围内处理的MCF-7细胞(ω) (n个=所有情况下为100）。Jas处理使肌动蛋白丝稳定，而LatB处理使其失活。未经处理的细胞被用作对照（Ctrl）病例。统计差异通过非配对t检验确定。在每个方框中，中心线是中间值，红十字是离群值，方框的边缘分别对应25%和75%的人口。（C） Jas-和LatB-处理的MCF-7细胞与未处理（Ctrl）细胞的损失模量（G〃）(n个=100）。误差条表示标准误差。（D） Jas和LatB处理后MCF-10A细胞的荧光图像。为了进行比较，还包括未处理细胞的荧光图像（Ctrl）。分别用DAPI（蓝色）和罗丹明（红色）染色细胞核和肌动蛋白丝。比例尺，10μm。（E） 存储模量(G公司′）不同有效变形频率范围内处理的MCF-10A细胞(ω) (n个=所有情况下为100）。统计差异通过非配对t检验确定。在每个方框中，中心线是中间值，红十字是离群值，方框的边缘分别对应25%和75%的人口。（F） 损耗模量(G公司Jas和LatB处理的MCF-7细胞与未处理（Ctrl）细胞的比较(n个=100）。误差条表示标准误差。对于所有图形，*p≤0.05，**p≤0.01，***p≤0.001，以及****p≤0.0001。另请参见表S3。
图4
图4
微管对细胞粘弹性特性的贡献（A）紫杉醇（TAX）和诺卡唑（Noc）治疗后MCF-7细胞的荧光图像。为了进行比较，未处理细胞的荧光图像显示为对照病例（Ctrl）。DAPI（蓝色）和绿色荧光蛋白（绿色）分别染色细胞核和微管蛋白。比例尺，10μm。（B） 根据有效变形频率（ω）的不同范围，经药物处理的MCF-7细胞的储存模量（G′）（所有情况下n=100）。TAX治疗使微管稳定，而Noc治疗使其失活。未经处理的细胞被用作对照（Ctrl）病例。统计差异通过非配对t检验确定。在每个方框中，中心线是中间值，红十字是离群值，方框的边缘分别对应25%和75%的人口。（C） TAX-和Noc-处理的MCF-7细胞与未处理的（Ctrl）细胞相比的损失模量（G〃）（每例n=100）。误差条表示标准误差。（D） TAX和Noc处理后MCF-10A细胞的荧光图像。为了进行比较，未处理细胞的荧光图像显示为对照病例（Ctrl）。DAPI（蓝色）和绿色荧光蛋白（绿色）分别染色细胞核和微管蛋白。比例尺，10μm。（E） 根据不同的有效变形频率范围（ω），经处理的MCF-10A细胞相对于药理学处理的储能模量（G′）（所有情况下n=100）。统计差异通过非配对t检验确定。在每个方框中，中心线是中间值，红十字是离群值，方框的边缘分别对应25%和75%的人口。（F） TAX-和Noc-处理的MCF-10A细胞与未处理的（Ctrl）细胞相比的损失模量（G〃）（每例n=100）。误差条表示标准误差。对于所有图形，*p≤0.05，**p≤0.01，***p≤0.001，****p≤0.0001。另见表S3。
图5
图5
细胞通过细胞周期相的机械转换（A）MCF-7细胞相对于细胞周期相（G1-期，n=398；S-期，n=400；G2-期，n=457；M-期，n=390）的标准化DAPI强度。核DNA在M期凝聚成染色体结构，导致DAPI强度最强。误差线表示标准偏差。去除了平均值三个标准偏差的异常值。（B） 未处理和LatB处理（紫色）MCF-7细胞在不同细胞周期阶段的储能模量（G′），用200Hz有效变形频率测量（所有情况下n=100）。通过双向方差分析测试确定LatB治疗和细胞周期阶段的个体和组合统计效应。两种LatB处理（p=6.806×10−37)和细胞周期相（p=1.132×10−32)对Gʹ的变化有显著的统计影响。这两个因素的相互作用也显示出对G′的显著统计影响，因为G′的p值较低（p=6.781×10−8). 在每个方框中，中心线是中间值，红十字是离群值，方框的边缘分别对应25%和75%的人口。（C） 未经处理和LatB处理（插入）的MCF-7细胞在不同细胞周期阶段的损耗模量（G〃），ω平均值=200 Hz（所有情况下n=100）。误差条表示标准误差。对于所有图形，*p≤0.05和**p≤0.01。另请参见图S8。
图6
图6
通过上皮-间充质转化（EMT）的粘弹性特性（A）MCF-10A和SLUG诱导的MCF-10A细胞的免疫荧光图像，DNA染色（DAPI，蓝色）和（i）转录因子SLUG（红色），（ii）EMT相关丝状蛋白波形蛋白（洋红色），和（iv）细胞内连接标记物N-钙粘蛋白（黄色）。SLUG诱导的细胞显示SLUG在细胞核的定位升高，波形蛋白表达上调，E-cadherin表达下调，而N-cadherin的表达无明显变化。比例尺，100μm。（B） DNA（DAPI，蓝色）和SLUG（红色）的免疫荧光共聚焦扫描图像。SLUG的分离荧光通道（灰度）显示出SLUG在细胞核内更清晰的定位（用黄色箭头标记的示例细胞）。比例尺，5μm。（C）G′正常（红色）和SLUG表达（黑色）MCF-10A细胞（正常；n个=100和+SLUG；n个=90）ω=100赫兹。MCF-10A与SLUG诱导的细胞无统计学差异。在每个框内，中心线是中间线，边缘分别对应于G′分配。（D）G〃正常（红色）和SLUG表达（黑色）MCF-10A细胞（正常；n个=100和+SLUG；n个=90）ω=100赫兹。EMT可显著增加G〃个单元格。误差条表示标准误差****p≤0.0001。另请参见图S9和S10。
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