ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVReviewNEXTMicro Total Analysis Systems: Latest AchievementsJonathan West, Marco Becker, Sven Tombrink, and Andreas ManzView Author Information ISAS, Institute for Analytical Sciences, Bunsen-Kirchhoff-Strasse 11, D-44139 Dortmund, GermanyCite this: Anal. Chem. 2008, 80, 12, 4403–4419Publication Date (Web):May 23, 2008Publication History Published online23 May 2008Published inissue 1 June 2008https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ac800680jhttps://doi.org/10.1021/ac800680jreview-articleACS PublicationsCopyright © 2008 American Chemical SocietyRequest reuse permissionsArticle Views7987Altmetric-Citations361LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-Alertsclose SUBJECTS:Biotechnology,Electrochemical cells,Fluid dynamics,Genetics,Liquids Get e-Alerts

Abstract Background Different pathologies, affecting the skeletal system, were reported to display altered bone and/or cartilage innervation profiles leading to the deregulation of the tissue homeostasis. The patterning of peripheral innervation is achieved through the tissue-specific expression of attractive or repulsive axonal guidance cues in specific space and time frames. During the last decade, emerging findings attributed to the extracellular vesicles (EV) trading a central role in peripheral tissue innervation. However, to date, the contribution of EV in controlling bone innervation is totally unknown. Results Here we show that sensory neurons outgrowth induced by the bone resorbing cells—osteoclasts—is promoted by osteoclast-derived EV. The EV induced axonal growth is achieved by targeting epidermal growth factor receptor (EGFR)/ErbB2 signaling/protein kinase C phosphorylation in sensory neurons. In addition, our data also indicate that osteoclasts promote sensory neurons electrophysiological activity reflecting a possible pathway in nerve sensitization in the bone microenvironment, however this effect is EV independent. Conclusions Overall, these results identify a new mechanism of sensory bone innervation regulation and shed the light on the role of osteoclast-derived EV in shaping/guiding bone sensory innervation. These findings provide opportunities for exploitation of osteoclast-derived EV based strategies to prevent and/or mitigate pathological uncontrolled bone innervation.

Abstract Fibroblasts are functionally heterogeneous cells, capable of promoting and suppressing tumour progression. Across cancer types, the extent and cause of this phenotypic diversity remains unknown. We used single-cell RNA sequencing and multiplexed immunohistochemistry to examine fibroblast heterogeneity in human lung and non-small cell lung cancer (NSCLC) samples. This identified seven fibroblast subpopulations: including inflammatory fibroblasts and myofibroblasts (representing terminal differentiation states), quiescent fibroblasts, proto-myofibroblasts (x2) and proto-inflammatory fibroblasts (x2). Fibroblast subpopulations were variably distributed throughout tissues but accumulated at discrete niches associated with differentiation status. Bioinformatics analyses suggested TGF-β1 and IL-1 as key regulators of myofibroblastic and inflammatory differentiation respectively. However, in vitro analyses showed that whilst TGF-β1 stimulation in combination with increased tissue tension could induce myofibroblast marker expression, it failed to fully re-capitulate ex-vivo phenotypes. Similarly, IL-1β treatment only induced upregulation of a subset of inflammatory fibroblast marker genes. In silico modelling of ligand-receptor signalling identified additional pathways and cell interactions likely to be involved in fibroblast activation, which can be examined using publicly available R shiny applications (at the following links: myofibroblast activation and inflammatory fibroblast activation ). This highlighted a potential role for IL-11 and IL-6 (among other ligands) in myofibroblast and inflammatory fibroblast activation respectively. This analysis provides valuable insight into fibroblast subtypes and differentiation mechanisms in NSCLC.

Abstract The patterning of peripheral innervation is accomplished through the tissue expression, in specific space and timeframe, of attractive or repulsive axonal guidance cues. At the bone microenvironment, neurotrophic factors such as nerve growth factor, brain-derived neurotrophic factor, vascular endothelial growth factor, netrin-1 and others were described to regulate the nerve ingrowth towards the bone compartment, by acting directly on receptors expressed at the nerve terminals. Interestingly, besides the gradient of soluble factors, neurons were described to be responsive to extracellular vesicles (EV) derived from myelinating cells and mesenchymal stem cells. Here we provide evidence on a new mechanism by which peripheral innervation can be coordinated. We show that sensory nerves outgrowth and electric signal propagation are dependent on the EV secreted by osteoclasts, the bone resorbing cells. Furthermore, we demonstrate that the axonal sprouting is achieved through the activation of epidermal-growth factor receptor (EGFR) family signaling pathway. We proved that the EV-depleted osteoclast secretome leads to a significant decrease of neurons firing rate and axonal sprouting, concomitant with a decrease of EGFR/ErbB2 activation levels. Excitingly, the proteomic analysis of the osteoclast-derived EV cargo shows a high correlation with synaptic components reinforcing the role on sensory neurons/osteoclast crosstalk. Our findings that osteoclast-derived EV hold effect in axonal outgrowth, contributing actively to the dynamics of the sensory neurons sprouting and electrophysiology, is a step toward unraveling target mechanisms to control electrical signal propagation and nerve fibers sprouting and consequently open new avenues for the development of innovative therapies to control bone pain. Significance Statement Sensory nerve fibers sprouting in bone pathologies is highly associated with pain. Thus, understanding the mechanisms behind sensory nerves ingrowth, sprouting and electrical activity, within the bone compartment, is essential for improving the strategies to overcome pain in bone disorders. We provide a new mechanism on the sensory nerves sprouting, indicating that the effect is dependent on the extracellular vesicles (EV) released by osteoclasts, through the epidermal growth factor receptor family targeting, by integrin independent pathways. We show different electrophysiology patterns being triggered in the presence of osteoclasts secretome and the abolishment of sensory neurons firing rate in EV-depleted conditions. Overall, our results elucidate novel mechanisms on the peripheral nerves sprouting, essential for pursuing new targets for bone pain therapies.

Abstract There is a wealth of data indicating human bone marrow derived stromal cells (HBMSCs) contain the skeletal stem cell (SSC) with the potential to differentiate along the stromal osteogenic, adipogenic and chondrogenic lineages. However, despite these advances, current methods to isolate skeletal stem cells (SSCs) from human tissues have proved challenging as no single specific marker has been identified limiting understanding of SSC fate, immunophenotype and the widespread clinical application of these cells. While a number of cell surface markers can enrich for SSCs, none of the proposed markers, alone, provide a platform to isolate single cells with the ability to form bone, cartilage, and adipose tissue in humans. The current study details the application of oligonucleotide-coated nanoparticles, spherical nucleic acids (SNAs), to rapidly isolate human cells using mRNAs signatures detected in SSCs in real time, to identify stem and progenitor skeletal populations using single cell RNA sequencing. Based on scRNA-seq of samples from 11 patients, this method was able to identify novel targets for SSC enrichment, which were assessed in a total of 80 patients. This methodology was able to isolate potential SSCs found at a frequency of <1 in 1,000,000 in human bone marrow, with a capacity for tri-lineage differentiation in vitro . The current approach provides new targets and a platform to advance SSC isolation, enrichment with significant therapeutic impact therein.

Pseudomonas aeruginosa MPAO1 is the parental strain of the widely utilized transposon mutant collection for this important clinical pathogen. Here, we validate a model system to identify genes involved in biofilm growth and antibiotic resistance. Our model employs a genomics-driven workflow to assemble the complete MPAO1 genome, identify unique and conserved genes by comparative genomics with the PAO1 reference strain and missed genes by proteogenomics. Among over 200 unique MPAO1 genes, we identified six general essential genes that were overlooked when mapping public Tn-seq datasets against PAO1, including an antitoxin. Genomic data were integrated with phenotypic data from an experimental workflow using a user-friendly, soft lithography-based microfluidic flow chamber for biofilm growth. Experiments conducted across three laboratories delivered reproducible data on P. aeruginosa biofilms and validated both known and novel genes involved in biofilm growth and antibiotic resistance identified in screens of the mutant collection. Differential protein expression data from planktonic cells versus biofilm confirmed upregulation of candidates known to affect biofilm formation, of structural and secreted proteins of type six secretion systems, and provided proteogenomic evidence for some missed MPAO1 genes. This integrated, broadly applicable model promises to improve the mechanistic understanding of biofilm formation, antimicrobial tolerance and resistance evolution.

Abstract Serial crystallography requires large numbers of microcrystals and robust strategies to rapidly apply substrates to initiate reactions in time-resolved studies. Here we report the use of droplet miniaturisation for the controlled production of uniform crystals, providing an avenue for controlled diffusion and synchronous reaction initiation. The approach was evaluated using two enzymatic systems, yielding 3-µm lysozyme crystals and 2-µm crystals of Pdx1, an Arabidopsis enzyme involved in vitamin B6 biosynthesis. A seeding strategy was used to overcome the improbability of Pdx1 nucleation occurring with diminishing droplet volumes. Convection within droplets was exploited for rapid crystal mixing with ligands. Mixing times of <2 milliseconds were achieved. Droplet microfluidics for crystal size engineering and rapid micromixing can be used to advance time-resolved serial crystallography.

Langerhans cells (LCs) in the epidermis present MHC I and MHC II-restricted antigens thereby priming either CD8 or CD4 T cell immune responses. The genomic programs and transcription factors regulating antigen presentation in LCs remain to be elucidated. We show human LCs are highly efficient in MHC I-antigen cross-presentation but lack the transcription factor IRF8 that is critical in dendritic cells. LC migration from the epidermis enhances their ability to cross-present antigens and is accompanied by the induction of the transcription factor IRF4, whose expression is correlated by scRNA-seq with genes involved in ubiquitin-dependent protein degradation. Chromatin profiling reveals enrichment of EICE and AICE composite DNA binding motifs in regulatory regions of antigen-presentation genes, which can be recognized by IRF4 in conjunction with PU.1 or BATF3 expressed in LCs. Thus, the genomic programming of human LCs including inducible expression of IRF4 with enhanced cross-presentation distinguishes them from conventional dendritic cells.

Biomedical research often involves conducting experiments on model organisms in the anticipation that the biology learnt from these experiments will transfer to the human. Yet, it is commonly the case that biology does not transfer effectively, often for unknown reasons. Despite its importance to translational research this transfer process is not currently rigorously quantified. Here, we show that transfer learning - the branch of machine learning that concerns passing information from one domain to another - can be used to efficiently map biology from mouse to man, using the bone marrow (BM) as a representative example of a complex tissue. We first trained an artificial neural network (ANN) to accurately recognize various different cell types in mouse BM using data obtained from single-cell RNA-sequencing (scRNA-Seq) experiments. We found that this ANN, trained exclusively on mouse data, was able to identify individual human cells obtained from comparable scRNA-Seq experiments of human BM with 83% overall accuracy. However, while some human cell types were easily identified, others were not, indicating important differences in biology. To obtain a more accurate map of the human BM we then retrained the mouse ANN using scRNA-Seq data from a limited sample of human BM cells. Typically, less than 10 human cells of a given type were needed to accurately learn its representation in the updated model. In some cases, human cell identities could be inferred directly from the mouse ANN without retraining, via a process of biologically-guided zero-shot learning. These results show how machine learning can be used to reconstruct complex biology from limited data and have broad implications for biomedical research.

Droplet microfluidics combined with flow cytometry was used for high throughput single platelet function analysis. A large-scale sensitivity continuum was shown to be a general feature of human platelets from individual donors, with hypersensitive platelets coordinating significant sensitivity gains in bulk platelet populations and shown to direct aggregation in droplet-confined minimal platelet systems. Sensitivity gains scaled with agonist potency (convulxin>TRAP-14>ADP) and reduced the collagen and thrombin activation threshold required for platelet population polarization into pro-aggregatory and pro-coagulant states. The heterotypic platelet response results from an intrinsic behavioural program. The method and findings invite future discoveries into the nature of hypersensitive platelets and how community effects produce population level behaviours in health and disease.