細(xì)胞收縮微柱陣列

高通量細(xì)胞收縮測試裝置

典型應(yīng)用：

1,、心肌細(xì)胞成熟度測定
功能性 iPSC 誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞纖維

2、牽引力測定
細(xì)胞在基質(zhì)上施加的力的量化

3,、Durotaxis 和 haptotaxis 測定
控制基材剛度

4,、3D CM 成熟度測定
評估 iPSC-CM 的跳動

5、單CM收縮力
單個心肌細(xì)胞搏動力的量化

世聯(lián)博研北京公司測試方案：

一,、細(xì)胞收縮力高通量檢測多孔板-24,、96、384孔板：

圖1：原理圖：

1.1）細(xì)胞收縮力測試24孔板

1.2）細(xì)胞收縮力測試96孔板

1.3）細(xì)胞收縮力測試384孔板

細(xì)胞收縮微柱陣列    組織收縮力測試

圖案的*微孔板,，上面有100,000多個均勻分布的X或+形的具有粘性蛋白質(zhì)微圖案,，細(xì)胞沉降并附著在其上，嵌入板中的X具有彈性,，因此每當(dāng)細(xì)胞收縮時它們就會收縮。 X帶有分子標(biāo)記,，可以發(fā)出熒光,，從而可以成像和量化縮小的形狀。

可以成像和定量,，因此研究人員可以將X或十字架的變形與單個細(xì)胞或成千上萬個細(xì)胞的一定量的力相關(guān)聯(lián),。該技術(shù)還為研究人員提供了查看單個細(xì)胞鈣反應(yīng)以及它們與細(xì)胞強(qiáng)度之間的關(guān)系的能力。

該技術(shù)也可以用于藥物發(fā)現(xiàn),。研究人員可以快速,，輕松地測試不同的治療分子，以了解它們?nèi)绾斡绊懠?xì)胞力以及是否可以糾正任何潛在的力問題,。

在具有可控剛度的彈性薄膜中嵌入用戶設(shè)計的粘合劑和熒光微圖案,，形成非常密集但均勻的陣列(> 120微米/每平方毫米)。100000個患者來源的單細(xì)胞(地從疾病起源的人體組織中獲得)獨(dú)立地定位并粘附在微圖案上(每個微圖案一個細(xì)胞),，它們對該微圖案施加牽引力并明顯改變其形狀,，從而能夠在*的吞吐量下對細(xì)胞收縮性進(jìn)行直觀的基于圖像的評估。

1)熒光彈性可收縮表面的微圖案化

—在具有可控剛度的彈性薄膜中嵌入用戶設(shè)計的粘合劑和熒光微圖案,，形成非常密集但均勻的陣列(> 120微米/每平方毫米),。100000個患者來源的單細(xì)胞(地從疾病起源的人體組織中獲得)獨(dú)立地定位并粘附在微圖案上(每個微圖案一個細(xì)胞)，它們對該微圖案施加牽引力并明顯改變其形狀，從而能夠在*的吞吐量下對細(xì)胞收縮性進(jìn)行直觀的基于圖像的評估,。

2)基于圖像的受控單細(xì)胞收縮性的動力學(xué)可視化

—例如,，384孔板內(nèi)的每個附著細(xì)胞的微圖案在延長的時間內(nèi)以精細(xì)的時間分辨率被獨(dú)立監(jiān)控，以直接觀察收縮行為的全部范圍,，從緊張性收縮到誘導(dǎo)性收縮或松弛,，以及任一效應(yīng)的作用窗口。選擇“x"形微圖案以小化細(xì)胞-基底接觸面積,，同時大化細(xì)胞擴(kuò)散面積,，從而在不同位置產(chǎn)生放大和集中的力。由于每個微圖案都與其他微圖案機(jī)械分離,，粘附的細(xì)胞不會將應(yīng)變傳遞給相鄰的微圖案,，從而確保對群體中每個單個細(xì)胞的收縮力進(jìn)行可靠的評估。

3)單細(xì)胞收縮性的自動化和直觀的圖像分析

—基于該方法的檢測產(chǎn)生直觀,、明確的收縮信號——提供直接的圖像分析,，以從成像群體中的每個單細(xì)胞獲得定量和可靠的數(shù)據(jù)。

可以同時獲取1000多個均勻圖案的單細(xì)胞的強(qiáng)大的收縮性數(shù)據(jù),，并與96-和384孔板格式無縫地集成,，以促進(jìn)大規(guī)模的藥物篩選

二、細(xì)胞牽引力顯微鏡及微柱陣列介紹

圖4：細(xì)胞牽引力顯微鏡

圖5：細(xì)胞微柱陣列,，可定制剛度,、大小、形狀和間距,。

細(xì)胞微柱陣列介紹

特點(diǎn)：

將細(xì)胞培養(yǎng)在具有形貌特征,，微柱且具有特定剛度的基質(zhì)上。 可以以高密度分布微柱以創(chuàng)建細(xì)胞施加的力的圖（牽引力顯微鏡）,，或者它們的大小和排列可以具有細(xì)胞大小,，因此可用于測量單個細(xì)胞的整體收縮力。

●PDMS微柱的偏轉(zhuǎn)可實現(xiàn)力感測

●PDMS微柱的剛度由其尺寸（Durotaxis）控制

●提供幾種微柱幾何形狀和布置

●單細(xì)胞力作圖（牽引力顯微鏡）

●可控的生物功能化

●適應(yīng)任何細(xì)胞培養(yǎng)底物（從培養(yǎng)皿到96孔板）

●與高分辨率光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)兼容

典型應(yīng)用：

>單心肌細(xì)胞收縮力測定：定量單心肌細(xì)胞的搏動力

>牽引力測定：定量細(xì)胞在基質(zhì)上施加的力

可訂購的產(chǎn)品

1,、圓形PDMS微柱10 mm蓋玻片：

標(biāo)準(zhǔn)尺寸：24 mm圓形蓋玻片（約170μm厚度）
設(shè)計：直徑為5 ?m,； 中心到中心的距離為7 ?m
三種高度可供選擇：2 ?m,，6 ?m和12 ?m

2,、帶狀柱子的蓋玻片：

3、方形微柱蓋玻片

設(shè)計：直徑7.5 ?m,； 微柱之間的距離為20 ?m

三種高度可供選擇：2 ?m，6 ?m和12 ?m

4DCELL設(shè)備

微柱

探索應(yīng)用示例

我們提供帶有微型PDMS微柱的10毫米蓋玻片,，用于細(xì)胞培養(yǎng)和力評估。

不同的支柱設(shè)計和布置適合各種應(yīng)用，例如牽引力顯微鏡,，收縮力和旋轉(zhuǎn)軸。

通過測量PDMS微柱響應(yīng)于細(xì)胞施加的力的撓度來進(jìn)行力評估,。

直接接種細(xì)胞
>多種設(shè)計可供選擇
可用高密度和低密度微柱以及不同縱橫比的基板。
>兼容高分辨率顯微鏡,。

易于觀察細(xì)胞及其對微柱變形的影響

與傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)相比，三維細(xì)胞培養(yǎng)具有廣泛的優(yōu)勢,。體內(nèi)_ 在 2D 細(xì)胞培養(yǎng)模型中生成的細(xì)胞單層上無法可靠地實現(xiàn)空間域,，其中細(xì)胞是自然發(fā)現(xiàn)的，并且對于決定細(xì)胞行為的生物信號傳導(dǎo)至關(guān)重要,。雖然目前的 3D 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù),，即那些結(jié)合細(xì)胞基質(zhì)或支架的技術(shù)，大大改進(jìn)了 2D 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù),，但它們?nèi)匀蝗狈χ噩F(xiàn)細(xì)胞微環(huán)境關(guān)鍵方面的能力,。其中一些方面，包括化學(xué)物質(zhì)和氧氣的空間和時間梯度以及機(jī)械刺激,，可以通過使用微流體技術(shù)來解決,，該技術(shù)在與細(xì)胞生物學(xué)相結(jié)合時提供具有高度通用應(yīng)用的細(xì)胞培養(yǎng)平臺。這包括細(xì)胞限制的新能力,，有針對性地深入了解細(xì)胞變形和機(jī)械應(yīng)力的影響,。盡管許多細(xì)胞生物學(xué)微流體研究只是證明，但很明顯,，通過利用微流體,，對越來越有影響力和實用的細(xì)胞行為研究具有巨大的潛力

>與高分辨率光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)兼容

例子

hESC-心肌細(xì)胞中鈣瞬變（鈣敏感收縮蛋白的激活）的量化和細(xì)胞收縮和力產(chǎn)生的同時測量（支柱偏轉(zhuǎn)分析）

細(xì)胞力產(chǎn)生和力傳遞綜合測量分析系統(tǒng)

1、背景和解決方案：

       在生理和病理條件下,，細(xì)胞本身產(chǎn)生的或細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 通過粘著斑 (FA) 和粘附連接 (AJ) 傳遞的機(jī)械力已知在調(diào)節(jié)各種細(xì)胞行為中發(fā)揮重要作用,。

細(xì)胞胞力的產(chǎn)生和力的傳遞：

對于許多生物過程至關(guān)重要，量化通過基于E-鈣粘蛋白的粘附連接施加的細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞內(nèi)力,，將在生物學(xué)研究領(lǐng)域闡明與機(jī)械力響應(yīng)相關(guān)的細(xì)胞功能方面發(fā)揮基礎(chǔ)性作用,，

該系統(tǒng)為理解生物力學(xué)力在單個細(xì)胞、多細(xì)胞以及細(xì)胞-細(xì)胞/細(xì)胞-ECM 界面上的作用的提供了新方法,，將為革新再生醫(yī)學(xué),、疾病建模和藥物發(fā)現(xiàn)的突破性技術(shù)打開大門，

闡明了細(xì)胞遷移,、增殖,、分化、重塑和機(jī)械感知其微環(huán)境的機(jī)制的許多方面,。

2,、該系統(tǒng)綜述：

該系統(tǒng)支持基于微柱陣列法、FLECS熒光彈性基底微圖案法,、集成熒光微珠嵌入聚丙烯酰胺凝膠法,、PDMS合規(guī)的薄硅膜法，集優(yōu)棄劣進(jìn)行力生成和應(yīng)力傳遞分析，可以2D細(xì) 胞,，也可以3D細(xì)胞嵌入水凝膠中，并結(jié)合時間依賴性 (4D)的細(xì)胞內(nèi)源力產(chǎn)生與力傳遞量化分析實驗,?？捎糜趩蝹€細(xì)胞、多細(xì)胞之間,、細(xì)胞集落和融合細(xì)胞層（cell sheet）中的力生成和應(yīng)力傳遞分析,，為理解生物力在單個細(xì)胞、細(xì)胞集落,、細(xì)胞-細(xì)胞/細(xì)胞-ECM界面上的作用提供了新方法,，將為革新再生醫(yī)學(xué)、疾病建模和藥物發(fā)現(xiàn)的突破性技術(shù)打 開大門,，闡明了細(xì)胞遷移,、增殖、分化,、重塑和機(jī)械感知其微環(huán)境的機(jī)制的許多方面,，對于深刻理解許多生物過程至關(guān)重要。

該系統(tǒng)解決了從具有已知彈性的粘性基底測量的細(xì)胞力引起的變形重建細(xì)胞基質(zhì)牽引力和細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)應(yīng)力的逆問題,。除了應(yīng)力和力生成的標(biāo)準(zhǔn)測量之外,，

還可以進(jìn)行包括線性張力測量（一種專門用于細(xì)胞邊界的力傳遞測量），允許用戶設(shè)置所必要的分析參數(shù),，選擇感興趣的區(qū)域,，檢查輸入?yún)?shù)和中間結(jié)果，

并計算描述力,、應(yīng)力及其分布的各種參數(shù),，允許非用戶對此類實驗進(jìn)行全面評估，可讓您快速分析可視化大型數(shù)據(jù)集,。

可選配時差顯微鏡活細(xì)胞工作站,，為顯微鏡提供類似培養(yǎng)箱的氣體溫度濕度控制；

可選的共聚焦超高分辨率TIRF顯微鏡

2.2,、測試方法：

• 2.2.1,、細(xì)胞微柱陣列：
  
  細(xì)胞主要黏附于與基底垂直微柱的上面，可以直接根據(jù)微柱的彎曲變形程度與方向測定與細(xì)胞接觸點(diǎn)牽引力的大小與方向,。

  2.2.2,、熒光微珠嵌入聚丙烯酰胺凝膠：
  
  通過培養(yǎng)在具已知彈性軟基底（聚丙烯酰胺(PA)膠），細(xì)胞收縮過程中對基底產(chǎn)生的牽引力使基底產(chǎn)生變形,，這種變形反映到熒光微珠的運(yùn)動,；用熒光顯微鏡采集熒光微珠的運(yùn)動信息，經(jīng)圖像處理后，得到基底的應(yīng)變信息,，然后通過一定的力學(xué)模型,，定量反演出細(xì)胞的牽引力；細(xì)胞收縮或遷移過程中各個時刻的力分布就可以可視化在計算機(jī)屏幕上

  2.2.3,、熒光彈性可收縮表面微圖案化多孔板高通量細(xì)胞收縮力檢測多孔板-24,、96、384孔板：
  
  該可高通量檢測細(xì)胞收縮力的多孔板是軟膜底嵌有熒光微圖案的du特微孔板,，上面有100,000多個均勻分布的X或+形的具有粘性蛋白質(zhì)微圖案,，細(xì)胞沉降并附著在其上，嵌入板中的X具有彈性,，因此每當(dāng)細(xì)胞收縮時它們就會收縮,。 X帶有分子標(biāo)記，可以發(fā)出熒光,，從而可以成像和量化縮小的形狀

  2.2.4,、合規(guī)PMDS基底多孔板：
  
  采用軟彈性基底，通過細(xì)胞與彈性基底相互作用引起的基底變形來測定或計算細(xì)胞牽引力

  可定制剛度0.1kPa 至 100 kPa 的楊氏彈性模量,、蛋白質(zhì)涂層

• 2.3,、適用樣品：

  2D單個細(xì)胞、3D凝膠包埋的細(xì)胞,、細(xì)胞集落和融合細(xì)胞層中的力生成和應(yīng)力分析,，細(xì)胞收縮力、細(xì)胞之間相互用力,、細(xì)胞與ECM之間相互用力,、跨細(xì)胞邊界作用力,、平均法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力

• 2.4、典型測試應(yīng)用：

有許多不同的方法可以測量力的產(chǎn)生和應(yīng)力,。在這里,，您可以找到可以使用該程序計算的數(shù)量的概覽,。

2.4.1,、基材變形

zui簡單的方法是總結(jié)細(xì)胞附著的基底表面的變形,。變形取決于基材的機(jī)械性能,。

2.4.2、應(yīng)變能

2.4.3,、收縮力

收縮力定義為牽引力向一個點(diǎn)（稱為力中心）的投影之和。因此,，如果力都已經(jīng)指向一個中心點(diǎn),，則收縮性很高,。局部相反的力和不指向力震中的力對收縮性沒有貢獻(xiàn)。能夠以力似乎源自單個點(diǎn)的方式協(xié)調(diào)其力產(chǎn)生的細(xì)胞或細(xì)胞群可以獲得高收縮性,，同時消耗相對少量的應(yīng)變能。

這在圖13中進(jìn)一步說明,。案例 A 代表具有兩個具有高度協(xié)調(diào)力生成的細(xì)胞的細(xì)胞集落，案例 B 代表具有協(xié)調(diào)性的細(xì)胞。在情況 B 中,，每個細(xì)胞自行產(chǎn)生收縮力,。因此,，如果我們假設(shè)情況 A 和 B 中的應(yīng)變能相等，則情況 B 的收縮性較低,。

綜上所述：應(yīng)變能是總力產(chǎn)生的量度,，而收縮性是協(xié)調(diào)力產(chǎn)生的量度。

2.4.4,、平均法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力

壓力描述了在細(xì)胞或細(xì)胞片內(nèi)部傳遞的力,。對于細(xì)胞表中的任何給定點(diǎn)，應(yīng)力由具有 4 個分量的張量定義,。如圖 14所示,，每個分量代表將作用于從細(xì)胞片切出的正方形邊緣的力。

我們可以區(qū)分兩種類型的應(yīng)力：剪切應(yīng)力,，一種平行于該正方形邊緣作用的力,，以及法向應(yīng)力，一種垂直于該正方形邊緣作用的力,。由于幾何原因,，應(yīng)力張量的兩個剪切分量必須相同。普通組件不是這種情況,。由于法向應(yīng)力是否主要來自 x 或 y 方向?qū)ξ覀兊姆治鰶]有意義,，因此計算兩個分量的平均值更有用。這留下了兩個應(yīng)力：剪應(yīng)力和平均法向應(yīng)力,。這些壓力可以在整個細(xì)胞集落區(qū)域進(jìn)行平均,。

2.4.5,、應(yīng)力分布

應(yīng)力分布可以用變異系數(shù) (CV) 來描述,，即用平均法向應(yīng)力或剪切應(yīng)力的平均值歸一化的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.4.6,、跨細(xì)胞邊界作用的力

如上所述,，應(yīng)力張量可用于計算作用于細(xì)胞集落邊界的力。這種力稱為線張力,，有一個直接的解釋：想象一下,，您實際上要沿著兩個細(xì)胞之間的邊界切割細(xì)胞片。如果細(xì)胞繼續(xù)產(chǎn)生力,，則該切口的邊緣會漂移開或開始重疊,，因為您剛剛切割了將兩個邊緣固定在一起的材料。為了將兩個邊緣保持在切割之前的位置,，您需要在邊緣施加一個力,。這個力，由切割長度歸一化,，是線張力,。

線張力是具有 x 和 y 分量的向量,。與應(yīng)力類似，它可以分為剪切分量（平行于切口作用的力）和法向分量（垂直于切口作用的力）,。兩者都有助于線張力的大?。ň€張力矢量的長度）。

        使用該系統(tǒng)計算細(xì)胞間應(yīng)力,，以獲得面內(nèi)二維應(yīng)力張量,。簡而言之，應(yīng)用牛頓定律要求的直接力平衡,，為我們提供單層內(nèi)的二維應(yīng)力張量,，通過旋轉(zhuǎn)單層內(nèi)每個點(diǎn)的坐標(biāo)系。此外,，在單層內(nèi)的每個點(diǎn),，我們計算了平均正常細(xì)胞間應(yīng)力 (σ max + σ min )/2 和zui大剪切細(xì)胞間應(yīng)力 (σ max -σ min )/2

我們的平臺兼容2D/3D/4D模式，支持單細(xì)胞,、融合單層細(xì)胞以及介于兩者之間的細(xì)胞,。可按需定制,，包括孔格式,、模量、珠熒光,、玻璃厚度和分析軟件的定制,。我們可以提供任何組合，制造您想要的,，并且樂于為您的挑戰(zhàn)創(chuàng)新解決方案,。