7
INNOPSYS Parc Activestre – 31390 CARBONNE – France Tel : +33 561 971 974 / Fax : +33 561 971 975 / www.innopsys.com Printing of biochemically-patterned slides with the InnoStamp40 ® for deterministic cell immobilization. Jean‐christophe CAU 1 1 Innopsys, Parc activestre, Carbonne – France – [email protected] www.innopsys.com www.biosoftlab.com Introduction Mastering the adhesion landscape of living cells on a surface is emerging as a new tool for investigating many fundamental mechanisms of cell biology such as shape control, differentiation, division, polarity or motility [1‐ 12]. The common point between all these studies is the production of micro‐patterns of various shapes and dimensions along which adherent cells are immobilized in a deterministic way. The control of cell adhesion through this technology allows the biologists to design specific scenari and record how various living cell types (neural, epithelial, tumoral and stem cells) respond to them. Because this technology allows reproducing identical precise patterns along well arranged periodical arrays, these experimental observations can be made systematically over large population of cells thus reaching a high level of representativeness. The micro‐contact printing of proteins of the Extra Cellular Matrix (ECM) on conventional glass slides or coverslips turned out to be an efficient method for fabricating these micro‐patterned cell culture substrates. However, when this technological process is made manually, it fails to generate reproducible patterns over large surfaces thus limiting the actual potential of this new approach. In order to bring this process to a standard level in cell biology, we propose to automate the printing process of ECM proteins on cell culture substrates. As a matter of fact, a fine control of the stamping parameters is a sine qua none condition to be able to print in one step reproducible patterns of different shape, size and pitch. In this note, we present a dedicated study in which we screen different pattern shapes and pattern sizes for the deterministic immobilization of cancer cells. With the perspective in mind of remote production of these patterned cell‐culture supports, we have also investigated the conservation potential over time of the printed slides before cell seeding. We have used a patterned stamp designed with four different classes of features (disc, line, square, and triangle) of different sizes (from 10 to 50µm) and pitches (10 to 100µm). The samples were seeded with Prostate Cancer 3 (PC3) cells. Then, we have quantified the spreading of the immobilized cells on these different patterns and the selectivity of the immobilization on the adhesive patterns compared to the antifouling background. 1Cellular growth on patterned samples fabricated with a fully automated microcontact printer: the InnoStamp40. The workflow of this study is based on three steps (figure 1). The first one is the fabrication of ECM (Extra Cellular Matrix) protein micro

Printing of biochemically-patterned slides OK of biochemically-patterned slides1.pdfimmobilized on ECM micro patterns of various shapes (the patterns are depicted by dashed lines)

  • Upload
    others

  • View
    6

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Printing of biochemically-patterned slides OK of biochemically-patterned slides1.pdfimmobilized on ECM micro patterns of various shapes (the patterns are depicted by dashed lines)

  

INNOPSYS  Parc Activestre – 31390 CARBONNE – France 

Tel : +33 561 971 974 / Fax : +33 561 971 975 / www.innopsys.com 

Printingofbiochemically-patternedslideswiththeInnoStamp40®fordeterministiccellimmobilization.

Jean‐christophe CAU1 1 Innopsys, Parc activestre, Carbonne – France – [email protected] 

www.innopsys.com 

www.biosoftlab.com 

Introduction 

Mastering  the  adhesion  landscape  of  living 

cells on a surface is emerging as a new tool for 

investigating  many  fundamental  mechanisms 

of  cell  biology  such  as  shape  control, 

differentiation, division, polarity or motility [1‐

12].  The  common  point  between  all  these 

studies  is  the production of micro‐patterns of 

various  shapes  and  dimensions  along  which 

adherent  cells  are  immobilized  in  a 

deterministic way. The control of cell adhesion 

through this technology allows the biologists to 

design specific scenari and record how various 

living cell types (neural, epithelial, tumoral and 

stem  cells)  respond  to  them.  Because  this 

technology  allows  reproducing  identical 

precise patterns along well arranged periodical 

arrays, these experimental observations can be 

made  systematically  over  large  population  of 

cells  thus  reaching  a  high  level  of 

representativeness. The micro‐contact printing 

of proteins of  the Extra Cellular Matrix  (ECM) 

on  conventional  glass  slides  or  coverslips 

turned  out  to  be  an  efficient  method  for 

fabricating  these micro‐patterned  cell  culture 

substrates.  However, when  this  technological 

process  is made manually,  it  fails  to generate 

reproducible patterns over large surfaces thus 

limiting  the  actual  potential  of  this  new 

approach.  In  order  to  bring  this  process  to  a 

standard  level  in  cell  biology,  we  propose  to 

automate the printing process of ECM proteins 

on cell culture substrates. As a matter of fact, a 

fine  control  of  the  stamping  parameters  is  a 

sine qua none condition to be able to print  in 

one  step  reproducible  patterns  of  different 

shape, size and pitch.  

In this note, we present a dedicated study in 

which we screen different pattern shapes and 

pattern  sizes  for  the  deterministic 

immobilization  of  cancer  cells.  With  the 

perspective  in mind  of  remote  production  of 

these patterned cell‐culture supports, we have 

also  investigated  the  conservation  potential 

over  time  of  the  printed  slides  before  cell 

seeding.  

We have used a patterned stamp designed 

with  four  different  classes  of  features  (disc, 

line,  square,  and  triangle)  of  different  sizes 

(from 10 to 50µm) and pitches (10 to 100µm). 

The samples were seeded with Prostate Cancer 

3  (PC3)  cells.  Then,  we  have  quantified  the 

spreading  of  the  immobilized  cells  on  these 

different  patterns  and  the  selectivity  of  the 

immobilization  on  the  adhesive  patterns 

compared to the antifouling background.  

1‐Cellular growth on patternedsamples fabricated with a fullyautomatedmicrocontact printer: theInnoStamp40.

The workflow of  this  study  is  based  on  three 

steps (figure 1). The first one is the fabrication 

of  ECM  (Extra  Cellular  Matrix)  protein  micro 

Page 2: Printing of biochemically-patterned slides OK of biochemically-patterned slides1.pdfimmobilized on ECM micro patterns of various shapes (the patterns are depicted by dashed lines)

  

INNOPSYS  Parc Activestre – 31390 CARBONNE – France 

Tel : +33 561 971 974 / Fax : +33 561 971 975 / www.innopsys.com 

patterns on glass slides. For that, we used the 

automatic  microcontact  printer  named 

InnoStamp40.  It  is  based  on  magnetic‐field 

assisted  microcontact  printing  [13].  This 

technology allows for:  

An  automation  of  the  full  process  of 

microcontact printing,  

A fine control of  the pressure applied 

during the printing step, 

An  alignment  of  the  patterns  on  the 

sample, 

A high reproducibility of the process. 

Three  elements  are  handled  in  the 

InnoStamp40® (www.innopsys.com):  

A PDMS stamp with the micropatterns, 

A sample (in this study: a glass slide), 

The ink (In this study, it is a 100µg/mL 

fibronectin solution with PBS 1X). 

This  equipment  automatically  generates 

micropatterns of fibronectin on the glass slide 

according  to  the  layout  of  figure  2.  Four 

different shapes of patterns with five different 

sizes (from 10µm to 50µm) and four different 

gaps  (from  10µm  to  100µm)  are  printed  and 

arranged into periodic arrays. Each shape array 

is repeated at least one time on a stamp. 

The  second  step  is  the  backfilling  of  the 

fibronectin micro patterns with an antifouling 

layer  (figure  1).  For  that,  we  incubated  the 

printed sample in a 100µg/mL solution of Pll‐g‐

PEG during 1h. After drying, the space between 

fibronectin patterns is filled with Pll‐g‐PEG.  

The  third  step  is  the  PC3‐GFP  cells  seeding 

(figure 1). The PC3‐GFP cells are seeded during 

3h  at  37°C  with  a  concentration  of  42.000 

cells/cm². Then, they are washed with PBS and 

dehydrated with 3 baths of 50%, 75% and 100% 

of ethanol. 

 

Figure  1:  the  workflow  of  Cellular  growth  on 

patterned samples 

 

The  images  are  acquired  with  a  standard 

fluorescence microscope.  

Page 3: Printing of biochemically-patterned slides OK of biochemically-patterned slides1.pdfimmobilized on ECM micro patterns of various shapes (the patterns are depicted by dashed lines)

  

INNOPSYS  Parc Activestre – 31390 CARBONNE – France 

Tel : +33 561 971 974 / Fax : +33 561 971 975 / www.innopsys.com 

 

Figure 2:  layout of  the micropatterns. There are 4 

different  cells  with  different  shapes:  disc,  line, 

square,  and  triangle.  Their  size  varies  between 

10µm to 50µm and the gap between the patterns 

varies between 10 to 100µm. 

2‐Differentshapesofthebiochemicalpatterns.

The cells are selectively captured on the micro‐

patterned  slides. We  can observe on  figure 3 

that  the  PC3‐GFP  cells  in  adhesion  with  the 

surface  of  the  sample  decorate  the  printed 

fibronectin patterns. The PC3‐GFP cells which 

are  selectively  immobilized  on  the  molecular 

patterns spread on and fill them while the very 

few cells immobilized outside the patterns are 

circular  and  do  not  spread.  We  quantify  the 

selectivity of the immobilization as the number 

of  cells  counted  inside  the  printed  patterns 

divided by the number of cells counted in the 

PLL‐g‐PEG  background.  Table  1  displays  the 

selectivity  observed  for  the  four  different 

shapes. We  find  a  good  selectivity  for  all  the 

shapes  (higher  than 75%). With  triangles,  the 

selectivity is lower than the line patterns. In a 

more  general  manner,  we  observe  that  the 

higher  the  spatial  confinement  produced  by 

the patterns is, the lower the selectivity is.  

 Selectivity (inside/outside 

%) 

Triangle  75 Square  85 Round  91 Line  99 

 

Figure  3:  fluorescence  images  of  PC3‐GFP  cells 

immobilized  on  ECM  micro  patterns  of  various 

shapes (the patterns are depicted by dashed lines). 

3‐Quantification of the area of a celltrappedontoabiochemicalpattern.

After  shape  investigation,  we  studied  the 

minimal  surface needed  to  trap a  single PC3‐

GFP  cell  and  the  area  occupied  by  captured 

cells. To achieve that, we selected a region near 

the interface between two areas (figure 4). In 

order  to  distinguish  and  well  identify  the 

different areas (one with 50µm and the other 

one with 40µm triangle patterns), we have also 

printed  a  dashed‐line  pattern  composed  of 

20µm*10µm rectangles (violet arrow).  

We first estimated the mean area of the cells 

trapped  into  triangles by dividing  the  triangle 

Page 4: Printing of biochemically-patterned slides OK of biochemically-patterned slides1.pdfimmobilized on ECM micro patterns of various shapes (the patterns are depicted by dashed lines)

  

INNOPSYS  Parc Activestre – 31390 CARBONNE – France 

Tel : +33 561 971 974 / Fax : +33 561 971 975 / www.innopsys.com 

area by the number of trapped cell. We found 

a mean area of 420µm².  

Figure 4: A selected region at the interface between 

two areas. The upper part is made of 50µm triangles 

and the lower part is made of 40µm triangles. At the 

interface,  rectangles  of  20µm*10µm  are  printed 

(yellow dashed line). 

We  can  observe  in  figure  4  that  single  cells 

decorate  the  rectangular  patterns  of  the 

printed  dashed  line.  However,  they  do  not 

follow exactly the contours of the rectangle but 

instead they overfill the patterns. The area of 

these patterns is 200µm². Compared to the cell 

trapped  into  triangles,  we  assume  that  a 

200µm²  rectangular  area  is  enough  to  trap 

single  cells  but  not  enough  to  make  the 

contours of the cell match the contours of the 

printed features. This is why the PC3‐GFP cells 

on this kind of patterns exhibit circular shapes 

and  not  rectangular  ones.  The  interplay 

between PC3‐GFP cells and 200µm² rectangles 

of  fibronectin  enables  to  achieve  a 

deterministic  immobilization of single cells on 

the patterns but do not conform the cell shape 

to  the  contours  of  the  pattern.  The  circular 

shape  of  these  cells  could  also  be 

demonstrated  by  the  interplay  of  the 

protruding  parts  of  the  cells  (outside  of  the 

patterns) with the antifouling layer.  

Single  cells  trapped  on  the  30µm  triangles 

(figure 5) seem to be shaped by the patterns. 

The area of these triangles is 450µm², which is 

close  to  the  420µm²  area  found  previously. 

Several  cells  can  sometimes  be  observed  on 

these patterns because the pattern area is a bit 

larger  than  420µm²  and  also  due  to  cell  size 

heterogeneity.  Put  together,  these  results 

indicate  that,  for  patterns  of  area  close  to 

200µm2,  single  cells  can  be  deterministically 

immobilized but their shape is not constricted 

by the shape of the patterns, while for patterns 

of  area  close  to  400  µm2,  single  cells  are 

selectively  immobilized  and  shaped  by  the 

printed patterns. 

 

Figure  5:  fluorescence  image  of  PC3‐GFP  cells 

immobilized  on  30µm  printed  triangles  (scale  bar 

40µm). 

4‐Aggregates of cells near themolecularpatterns.

We  have  also  investigated  the  interplay 

between cells according to their positions into 

the patterns.  

We observe on  figure 6  the cell  spreading on 

lines of different widths: 10, 20 and 40µm. On 

10µm  lines  (figure  6.A),  the  PC3‐GFP  cells 

spread  on  the  entire  length  of  the  lines  and 

create  a  pattern  similar  to  a  cell  “rosary”.  If 

there  are  more  cells  across,  PC3‐GFP  cells 

reduce  their  spreading  in  order  to  “cohabit” 

within the line. Cells found outside the patterns 

exhibit circular shapes and they hang on to the 

spread  ones.  For  20µm  and  40µm‐wide  lines 

(figure 6.B and C), the cells interplay is similar. 

However, due to a lower spatial confinement, 

PC3‐GFP cells are  less stressed and,  thus, can 

shape the lines with two or three cells across. 

On figure 7, PC3‐GFP cells shape discs of 40µm 

diameter but some additional cells hang on to 

Page 5: Printing of biochemically-patterned slides OK of biochemically-patterned slides1.pdfimmobilized on ECM micro patterns of various shapes (the patterns are depicted by dashed lines)

  

INNOPSYS  Parc Activestre – 31390 CARBONNE – France 

Tel : +33 561 971 974 / Fax : +33 561 971 975 / www.innopsys.com 

them. We observe the same shape difference 

between  cells  inside  (spread)  and  outside 

(circular) the patterns. This effect being visible 

for  different  shape  and  size  patterns,  we 

assume that  it  is due  to some cell aggregates 

present in the seeding solution.  

 

 

 

 

 

 

Figure  6:  fluorescence  images  of  PC3‐GFP  cells 

trapped  immobilized  on  10µm  (A),  20µm  (B)  and 

40µm (C) wide printed lines. Scale bar: 40µm. 

Figure  7:  fluorescence  images  of  PC3‐GFP  cells 

immobilized on 40µm circular  patterns.  Scale  bar: 

40µm. 

5‐Study of the patterned slides shelftime

To conclude this study, we have investigated if 

these  printed  slides  could  be used  days  after 

the manufacturing process. Indeed, in order to 

evaluate this technology, it could be interesting 

to  send  to  researchers  some  printed  slides, 

raising the question: “what is the shelf time of 

the  printed  slide?”.  To  answer  this  question, 

we  compared  cell  culture  on  a  fresh  printed 

slide  and  cell  culture  operated  12  days  after 

printing in different conditions of conservation. 

The  temperature  in  the  conservation  phase 

was changed (room temperature, 4°C or ‐20°C) 

and  two  media  of  conservation  were  tested 

(ambient  air  or  PBS1X). We  could  not  notice 

any difference across these conditions. This  is 

why  we  present  the  results  after  12‐day 

conservation  at  room  temperature,  ambient 

air.  We  are  now  using  these  parameters  to 

send some samples to interested customers.  

C B 

Page 6: Printing of biochemically-patterned slides OK of biochemically-patterned slides1.pdfimmobilized on ECM micro patterns of various shapes (the patterns are depicted by dashed lines)

  

INNOPSYS  Parc Activestre – 31390 CARBONNE – France 

Tel : +33 561 971 974 / Fax : +33 561 971 975 / www.innopsys.com 

 

Figure 8: comparison between a fresh printed slide 

(A) and a 12‐day stored patterned glass slide (B). 

On  figure  8,  we  can  observe  no  significant 

differences between freshly printed slides and 

conserved ones. The selectivity  is better after 

12 days but the number of cells per pattern is 

higher. This trend could be explained by a small 

variation  in  the  cell  concentration  of  the 

seeding solution.  

 

Conclusion

Patterned  slides  with  ECM  proteins  can  be 

routinely and reproducibly produced using the 

InnoStamp40  microcontact  printer.  Adherent 

cells  can  be  immobilized  deterministically  on 

these  patterns.  Single‐cell  arrays  can  be 

generated. The shape of these individual cells 

can be dictated by the shape of the patterns, if 

the  area  of  each  pattern  is  smaller  than  the 

mean  area  of  a  cell  in  adhesion  on  a  non‐

spatially confined zone. To complete the study, 

we have characterized the conservation of the 

patterned slides before cell  seeding and have 

proven  that  functional micro‐patterned  slides 

are compatible with standard shipping.  

Acknowledgment

This work was done within the framework of a 

joint  laboratory  named  BIOSOFT 

(www.biosoftlab.com)  between  LAAS‐CNRS 

and  INNOPSYS. Author wants to acknowledge 

Julie  FONCY,  Charline  BLATCHE,  Emmanuelle 

TREVISIOL and Christophe VIEU.  

References

[1]  McBeath  R  et  al.  Cell  shape,  cytoskeletal 

tension,  and  RhoA  regulate  stem  cell  lineage 

commitment. Dev Cell. 2004 Apr;6(4):483‐95. 

[2]  Tseng Q  et  al.  Spatial  organization  of  the 

extracellular matrix regulates cell–cell junction 

positioning. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 Jan 

31;109(5):1506‐11 

[3]  Gao  L  et  al.  Stem  cell  shape  regulates  a 

chondrogenic  versus  myogenic  fate  through 

Rac1  and  N‐cadherin.  Stem  Cells.  2010  Mar 

31;28(3):564‐72. 

[4] Mrksich M et al. Using microcontact printing 

to pattern the attachment of mammalian cells 

to  self‐assembled  monolayers  of 

alkanethiolates  on  transparent  films  of  gold 

and  silver.  Exp  Cell  Res.  1997  Sep 

15;235(2):305‐13. 

[5] Huang S et al. Shape‐dependent control of 

cell  growth,  differentiation,  and  apoptosis: 

switching between attractors in cell regulatory 

networks. Exp Cell Res. 2000 Nov 25;261(1):91‐

103. 

Page 7: Printing of biochemically-patterned slides OK of biochemically-patterned slides1.pdfimmobilized on ECM micro patterns of various shapes (the patterns are depicted by dashed lines)

  

INNOPSYS  Parc Activestre – 31390 CARBONNE – France 

Tel : +33 561 971 974 / Fax : +33 561 971 975 / www.innopsys.com 

[6]  Théry  M  et  al.  The  extracellular  matrix 

guides the orientation of the cell division axis. 

Nat Cell Biol. 2005 Oct;7(10):947‐53. 

[7]  Théry  M.  Micropatterning  as  a  tool  to 

decipher  cell morphogenesis  and  functions.  J 

Cell Sci. 2010 Dec 15;123(Pt 24):4201‐13. 

[8]  James  J et al.  Subcellular  curvature at  the 

perimeter  of  micropatterned  cells  influences 

lamellipodial distribution and cell polarity. Cell 

Motil Cytoskeleton. 2008 Nov;65(11):841‐52. 

[9]  Dupin  I  et  al.  Classical  cadherins  control 

nucleus  and  centrosome  position  and  cell 

polarity. J Cell Biol 185(5):779‐786 

[10]  Desai  AR  et  al.  Cell  polarity  triggered  by 

cell‐cell adhesion via E‐cadherin. J Cell Sci. 2009 

Apr 1;122(Pt 7):905‐11. 

[11] Théry M et al. Cell shape and cell division. 

Curr Opin Cell Biol. 2006 Dec;18(6):648‐57. 

[12] Parker KK et al. Directional control of 

lamellipodia extension by constraining cell 

shape and orienting cell tractional forces. 

FASEB J. 2002 Aug;16(10):1195‐204. 

[13] Brock A et al. Geometric Determinants of 

Directional  Cell  Motility  Revealed  Using 

Microcontact Printing. Langmuir, 2003, 19 (5), 

pp 1611–1617 

[14]  CAU  JC  et  al.  Magnetic  field  assisted 

microcontact printing: A new concept of  fully 

automated  and  calibrated  process. 

Microelectronic  Engineering,  volume  110, 

October 2013, Pages 207–214