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密閉環(huán)境細(xì)胞遷移和核膜破裂自動(dòng)分析系統(tǒng)，受限制環(huán)境細(xì)胞遷移和核膜破裂自動(dòng)分析系統(tǒng)

密閉環(huán)境中細(xì)胞遷移和核膜破裂自動(dòng)分析系統(tǒng)

系統(tǒng)背景：

近的體外和體內(nèi)研究強(qiáng)調(diào)了細(xì)胞核在控制有限環(huán)境中遷移方面的重要性。模擬組織狹窄間隙的微流體裝置已成為研究受限遷移過程中細(xì)胞動(dòng)力學(xué)的重要工具，包括核變形和核膜破裂的后果.

細(xì)胞遷移是許多重要生理過程所必需的，包括免疫反應(yīng)、傷口愈合和癌癥轉(zhuǎn)移。細(xì)胞遷移在癌癥轉(zhuǎn)移的背景下尤為重要，這是造成大多數(shù)癌癥相關(guān)死亡的原因。對于轉(zhuǎn)移的癌細(xì)胞，它們必須先從原發(fā)腫瘤部位遷移（侵襲），進(jìn)入血液或淋巴管（內(nèi)滲），通過這些血管或淋巴管將它們運(yùn)送到身體的遠(yuǎn)處部位，然后離開血管（外滲）并遷移到新的位置，在那里它們可能會(huì)長成繼發(fā)性腫瘤. 癌細(xì)胞的遷移行為是患者預(yù)后的良好指標(biāo)，因?yàn)楦嗟倪w移細(xì)胞以更高的速率形成轉(zhuǎn)移。預(yù)防或減少癌細(xì)胞遷移可以顯著改善癌癥患者的預(yù)后，并且是降低轉(zhuǎn)移相關(guān)死亡率的關(guān)鍵步驟。

在組織侵襲和滲入和滲出過程中，癌細(xì)胞必須擠過其他細(xì)胞之間和細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 內(nèi)的小空間。近的研究結(jié)果表明，細(xì)胞核在細(xì)胞通過此類受限環(huán)境遷移過程中發(fā)揮著重要作用。細(xì)胞核是大和堅(jiān)硬的細(xì)胞器，其變形決定了細(xì)胞通過小于核橫截面的收縮的能力。與具有更多可變形細(xì)胞核的細(xì)胞相比，具有較少可變形細(xì)胞核的細(xì)胞通過微孔需要更長的時(shí)間. 核變形能力的主要決定因素之一是核纖層蛋白 A 和 C 的表達(dá)，它們是在內(nèi)核膜下方形成致密蛋白網(wǎng)絡(luò)（核纖層）的中間絲蛋白。有趣的是，核纖層蛋白 A/C 的表達(dá)在許多癌癥中減少，這可能通過促進(jìn)侵襲和內(nèi)滲和外滲來增加腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移潛能。

除了通過受限環(huán)境調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)效率外，通過狹窄空間的遷移也會(huì)對細(xì)胞核施加巨大的物理應(yīng)力，這可能導(dǎo)致間期核膜 (NE) 完整性的短暫喪失，稱為 NE 破裂。NE 破裂允許細(xì)胞質(zhì)和核蛋白不受控制地交換，連同染色質(zhì)突出到細(xì)胞質(zhì)中，可能導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定性增加并促進(jìn)癌癥進(jìn)展。細(xì)胞可以使用轉(zhuǎn)運(yùn) III (ESCRT-III) 機(jī)制所需的內(nèi)體分選復(fù)合物的成分恢復(fù) NE完整性. 抑制 NE 修復(fù)，與抑制 DNA損傷修復(fù)途徑相結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致 NE 破裂后細(xì)胞死亡顯著增加，這表明可以采用特異性靶向轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞的潛在治療方法。

這些發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對研究核變形和 NE 破裂的興趣迅速增長，特別是在受限遷移期間。具有模擬體內(nèi)間隙空間的定義收縮的微流體裝置已成為研究核變形和 NE 破裂在細(xì)胞遷移中的作用的有力工具。盡管此類設(shè)備的壁比體內(nèi)的更堅(jiān)硬在這些微流體裝置中獲得的細(xì)胞遷移空間、受限遷移和 NE 破裂結(jié)果與在膠原基質(zhì)和活體成像研究中獲得的結(jié)果匹配，并且這些裝置能夠在的條件下對單細(xì)胞遷移進(jìn)行延時(shí)成像定義的條件。在此類實(shí)驗(yàn)中，通常通過熒光標(biāo)記的 DNA（例如，用 Hoechst 33342 染色）或組蛋白（例如，H2B-tdTomato 的表達(dá)）來識別細(xì)胞核。可以通過監(jiān)測含有核定位序列 (NLS-GFP) 的綠色熒光蛋白的細(xì)胞內(nèi)定位來檢測 NE 破裂事件]. NLS-GFP 通常包含在細(xì)胞核內(nèi)，但在 NE 破裂期間溢出到細(xì)胞質(zhì)中，并在 NE 修復(fù)后逐漸重新導(dǎo)入細(xì)胞核（圖 1 ）。使用癌細(xì)胞的延時(shí)實(shí)驗(yàn)通常持續(xù) 6 到 24 小時(shí)，每 2 到 10 分鐘采集一次多色（熒光和透射光）圖像，從而產(chǎn)生大量（每個(gè)實(shí)驗(yàn) >40 GB）多維數(shù)據(jù)集幾天到幾周的時(shí)間來手動(dòng)分析。在研究大量實(shí)驗(yàn)條件時(shí)，這種低通量圖像分析提出了巨大的挑戰(zhàn)。此外，不同觀察者的手動(dòng)分析可以為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)增加很大的可變性。

密閉環(huán)境中細(xì)胞遷移和核膜破裂自動(dòng)分析系統(tǒng)

圖。1

（A）表達(dá)NLS-GFP和H2B-tdTomato的細(xì)胞通過微流體裝置遷移。比例尺：50um。（B）細(xì)胞核擠壓收縮的時(shí)間序列。比例尺：bar 20um。

（C） NE破裂事件的時(shí)間序列。NLS-GFP在NE破裂時(shí)泄漏到細(xì)胞質(zhì)中，并在NE修復(fù)時(shí)重新導(dǎo)入細(xì)胞核。比例尺：20um。

系統(tǒng)重要性

該系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行圖像采集，自動(dòng)進(jìn)行通過孔隙的核轉(zhuǎn)運(yùn)和核包膜破裂等事件的相應(yīng)延時(shí)序列的分析，不受不同人差異操作的影響。

自動(dòng)圖像分析程序來記錄微流體收縮并執(zhí)行圖像分割以檢測單個(gè)細(xì)胞核。跟蹤核間的遷移，并記錄收縮過境事件、過境時(shí)間、過境成功率和核包殼破裂。

這種自動(dòng)化將分析遷移實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間從數(shù)周減少到數(shù)小時(shí)。收縮傳輸和核膜破裂都被正確可靠地檢測到，并且自動(dòng)分析結(jié)果與手動(dòng)分析金標(biāo)準(zhǔn)匹配。

該系統(tǒng)能夠檢測具有不同水平的核包膜蛋白層粘連蛋白A/C（控制核變形能力）的細(xì)胞之間核轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間的差異，并能夠檢測參與核包膜修復(fù)的蛋白CHMP7已被耗盡的

細(xì)胞中核膜破裂持續(xù)時(shí)間的增加。因此，該系統(tǒng)為研究受限遷移及其對細(xì)胞核的影響提供了一個(gè)通用的有力研究工具。

系統(tǒng)優(yōu)勢特點(diǎn)：

自動(dòng)化、可重現(xiàn)且穩(wěn)健的過程執(zhí)行圖像分析。該系統(tǒng)能夠跟蹤單個(gè)細(xì)胞/細(xì)胞核，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^微流體收縮通道遷移并計(jì)算單個(gè)收縮的傳輸時(shí)間。

雖然主要用于研究受限環(huán)境中的細(xì)胞遷移，但該系統(tǒng)也可用于研究在非受限二維基質(zhì)上遷移的細(xì)胞。該系統(tǒng)還可以可靠地檢測 NE 破裂事件及其持續(xù)時(shí)間。

該程序會(huì)自動(dòng)識別分裂細(xì)胞，從而提高穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性，可與專家手動(dòng)分析相媲美，但效率大大提高。

密閉環(huán)境中細(xì)微肌肉遷移和核膜破裂的自動(dòng)分析流程圖（圖 2）：

密閉環(huán)境中細(xì)胞遷移和核膜破裂自動(dòng)分析系統(tǒng)

自動(dòng)圖像分析從定位一張圖像中的收縮開始（圖 2）。然后處理圖像以減少噪聲并檢測熒光標(biāo)記的細(xì)胞核。對于序列中的每個(gè)后續(xù)圖像，

執(zhí)行圖像穩(wěn)定以解決圖像采集期間視野中的小偏移。然后對每個(gè)圖像進(jìn)行與上述相同的處理，以降低噪聲并檢測原子核。

已識別的細(xì)胞核從上一張圖像到當(dāng)前圖像進(jìn)行跟蹤。然后觀察所有細(xì)胞核的收縮通道和 NE 破裂的發(fā)生率。在分析完整序列后，

跟蹤結(jié)果將導(dǎo)出到電子表格并呈現(xiàn)給用戶進(jìn)行手動(dòng)驗(yàn)證

微流體遷移裝置設(shè)計(jì)-微通道培養(yǎng)裝置及定位收縮(收窄)

密閉環(huán)境中細(xì)胞遷移和核膜破裂自動(dòng)分析系統(tǒng)

通過識別形成三排收縮的微流體裝置中的圓柱來執(zhí)行收縮位置（圖 1A和圖 S1）。這是通過對設(shè)備的透射光圖像應(yīng)用圓形霍夫變換（一種識別圖像中圓圈的技術(shù)）來實(shí)現(xiàn)的。

然后旋轉(zhuǎn)所有圖像以水平對齊收縮行。虛擬邊界定義在收縮中心線上方和下方的特定距離處，以確定每行收縮的核進(jìn)入和退出

這些裝置由一系列PDMS柱形成的平行遷移通道組成，細(xì)胞通過這些通道沿著趨化梯度遷移（圖1）。通道可以用各種細(xì)胞外基質(zhì)蛋白如膠原或纖連蛋白功能化以促進(jìn)細(xì)胞粘附。

柱體形成的狹窄收縮模仿了細(xì)胞外基質(zhì)和間隙中發(fā)現(xiàn)的2至30um寬的孔。趨化梯度是通過從大的源庫穿過收縮通道擴(kuò)散到匯庫而建立的。兩個(gè)儲液器還通過一個(gè)250um高、1000um寬的旁通通道連接，為流體流動(dòng)提供一條低阻力路徑，在設(shè)備操作過程中出現(xiàn)不均勻填充或機(jī)械擾動(dòng)的情況下，允許儲液器之間的流體高度快速平衡。通過靠近收縮通道入口的兩個(gè)250um高×300um寬的端口，將細(xì)胞直接接種到收縮通道口部的250um高處。在收縮通道之前和之后這些區(qū)域的增加的高度確保了細(xì)胞有足夠的空間和充足的營養(yǎng)供應(yīng)，同時(shí)便于容易裝載；如果需要，也可以在通過收縮后收集細(xì)胞，例如，以分析成功通過收縮的細(xì)胞和保留在另一側(cè)的細(xì)胞之間的基因表達(dá)差異。

密閉環(huán)境中細(xì)胞遷移和核膜破裂自動(dòng)分析系統(tǒng)