Automated measurement of mechanobiological properties of cells by atomic force microscopy (AFM)
Résumé
Atomic Force Microscopy (AFM) has proven to be a powerful tool for performing the measurement of biomechanical forces on living cells. However, this technology requires methodological improvements for being realistically applied to the medical field. To perform statistically relevant experiments, AFM force measurements must be automated on living cells. A first strategy has been developed on C. albicans cells and this project aims to apply a similar approach to human cells. Likewise, the strategy in two phases consists in arraying cells followed by the automatic measurement of their mechanobiological properties by force spectroscopy.
To create the array of cells, fibronectin is patterned by microcontact-printing (µCP) according to specific geometrical features and spacing. The cells are then seeded on the fibronectin patterns. The master moulds are designed and fabricated in LAAS-CNRS cleanroom facilities and µCP is performed automatically by InnoStamp 40TM (an innovation of the joint lab between LAAS and Innopsys: BIOSOFT). The device prints arrays of fibronectin by physical contact between a microstructured and inked PDMS stamp and a glass slide. Finally, the cells are seeded on the fibronectin array and organize themselves in the form of an ordered matrix.
Biomechanical AFM measurements must be automated on each spot of the array occupied by a cell. To achieve this goal, an algorithm based on a Jython script is developed and adapted. The script needs the centre coordinates of the first and last cell of the matrix and the number of cells between them, which allows calculating the distance between each cell. Then the AFM tip indents the first cell and then automatically moves to the next one, recording force curves on each cell. The aim of the automation is to be able to analyse cell populations, instead of the usual few tens of cells. This methodology is applied to PC3 cells (grade IV prostatic adenocarcinoma cell line derived from bone metastases). The results of the measurements of the mechanical properties by AFM will be compared between a PC3 population seeded on an ordered cell array and a PC3 population not following any cell array.
La microscopie à force atomique (AFM) s'est avérée être un outil puissant pour effectuer la mesure des forces biomécaniques sur cellules vivantes. Cependant, cette technologie nécessite des améliorations méthodologiques pour être appliquée de manière réaliste au domaine médical. Pour effectuer des expériences statistiquement pertinentes, les mesures de force AFM doivent être automatisées sur des cellules vivantes. Une première stratégie a été développée sur les cellules de C. albicans et ce projet vise à appliquer une approche similaire aux cellules humaines. De même, la stratégie en deux phases consiste à disposer des cellules de manière ordonnée puis à mesurer automatiquement leurs propriétés mécanobiologiques par spectroscopie de force.
Pour créer la matrice de cellules, la fibronectine est déposée sur une lame de verre par microcontact-printing (µCP) sous la forme de motifs possédant des caractéristiques géométriques et un espacement spécifiques. Les cellules sont ensuite ensemencées sur les motifs de fibronectine. Les moules maîtres sont conçus et fabriqués en salle blanche du LAAS-CNRS et le µCP est réalisé automatiquement avec l’appareil InnoStamp 40TM (une innovation du laboratoire commun entre le LAAS et Innopsys : BIOSOFT). L'appareil imprime des matrices de fibronectine par contact physique entre un tampon PDMS microstructuré et encré et une lame de verre. Enfin, les cellules sont ensemencées sur la matrice de fibronectine et s'organisent sous la forme d'une matrice ordonnée.
Les mesures biomécaniques par AFM doivent être automatisées sur chaque point de la matrice occupé par une cellule. Pour atteindre cet objectif, un algorithme basé sur un script Jython est développé et adapté. Le script a besoin des coordonnées centrales de la première et de la dernière cellule de la matrice et du nombre de cellules entre elles, ce qui permet de calculer la distance entre chaque cellule. Ensuite, la pointe de l'AFM indente la première cellule, puis passe automatiquement à la suivante, en enregistrant les courbes de force sur chaque cellule. L'objectif de l'automatisation est de pouvoir analyser des populations cellulaires, au lieu des quelques dizaines de cellules habituelles. Cette méthodologie est appliquée aux cellules PC3 (lignée cellulaire d'adénocarcinome prostatique de grade IV dérivée de métastases osseuses). Les résultats des mesures des propriétés mécaniques par AFM seront comparés entre une population PC3 ensemencée sur une matrice de cellules ordonnées et une population PC3 non-ordonnée.
Domaines
Biomécanique [physics.med-ph]| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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