Cell-cell communication mediates immune responses to physiological stimuli at local and systemic levels. Intercellular communication occurs via a direct contact between cells as well as by secretory contact-independent mechanisms. However, there are few existing methods that allow quantitative resolution of contact-dependent and independent cellular processes in a rapid, precisely controlled, and dynamic format. This study utilizes a high-throughput microfluidic droplet array platform to analyze cell-cell interaction and effector functions at single cell level. Controlled encapsulation of distinct heterotypic cell pairs was achieved in a single-step cell loading process. Dynamic analysis of dendritic cell (DC)-T cell interactions demonstrated marked heterogeneity in the type of contact and duration. Non-stimulated DCs and T cells interacted less frequently and more transiently while antigen and chemokine-loaded DCs and T cells depicted highly stable interactions in addition to transient and sequential contact. The effector function of CD8+ T cells was assessed via cytolysis of multiple myeloma cell line. Variable cell conjugation periods and killing time were detected irrespective of the activation of T cells, although activated T cells delivered significantly higher cytotoxicity. T cell alloreactivity against the target cells was partially mediated by secretion of interferon gamma, which was abrogated by the addition of a neutralizing antibody. These results suggest that the droplet array-based microfluidic platform is a powerful technique for dynamic phenotypic screening and potentially applicable for evaluation of novel cell-based immunotherapeutic agents.

1.
D. M.
Davis
,
Nat. Rev. Immunol.
9
,
543
(
2009
).
2.
J. B.
Beltman
,
A. F.
Marée
,
J. N.
Lynch
,
M. J.
Miller
, and
R. J.
de Boer
,
J. Exp. Med.
204
,
771
(
2007
).
3.
P.
Bousso
,
Nat. Rev. Immunol.
8
,
675
(
2008
).
4.
A.
Lanzavecchia
and
F.
Sallusto
,
Science
290
,
92
(
2000
).
5.
H.
Salmon
,
K.
Franciszkiewicz
,
D.
Damotte
,
M. C.
Dieu-Nosjean
,
P.
Validire
,
A.
Trautmann
,
F.
Mami-Chouaib
, and
E.
Donnadieu
,
J. Clin. Invest.
122
,
899
(
2012
).
6.
F.
Benvenuti
,
C.
Lagaudrière-Gesbert
,
I.
Grandjean
,
C.
Jancic
,
C.
Hivroz
,
A.
Trautmann
,
O.
Lantz
, and
S.
Amigorena
,
J. Immunol.
172
,
292
(
2004
).
7.
A.
Grakoui
,
S. K.
Bromley
,
C.
Sumen
,
M. M.
Davis
,
A. S.
Shaw
,
P. M.
Allen
, and
M. L.
Dustin
,
Science
285
,
221
(
1999
).
8.
E.
Woolf
,
I.
Grigorova
,
A.
Sagiv
,
V.
Grabovsky
,
S. W.
Feigelson
,
Z.
Shulman
,
T.
Hartmann
,
M.
Sixt
,
J. G.
Cyster
, and
R.
Alon
,
Nat. Immunol.
8
,
1076
(
2007
).
9.
J. T.
Groves
and
M. L.
Dustin
,
J. Immunol. Methods
278
,
19
(
2003
).
10.
K.
Shen
,
V. K.
Thomas
,
M. L.
Dustin
, and
L. C.
Kam
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
105
,
7791
(
2008
).
11.
Y.
Kaizuka
,
A. D.
Douglass
,
R.
Varma
,
M. L.
Dustin
, and
R. D.
Vale
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
104
,
20296
(
2007
).
12.
M. L.
Dustin
,
S. K.
Bromley
,
Z.
Kan
,
D. A.
Peterson
, and
E. R.
Unanue
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
94
,
3909
(
1997
).
13.
F.
Guo
,
J. B.
French
,
P.
Li
,
H.
Zhao
,
C. Y.
Chan
,
J. R.
Fick
,
S. J.
Benkovic
, and
T. J.
Huang
,
Lab Chip
13
,
3152
(
2013
).
14.
F.
Guo
,
Z.
Mao
,
Y.
Chen
,
Z.
Xie
,
J. P.
Lata
,
P.
Li
,
L.
Ren
,
J.
Liu
,
J.
Yang
,
M.
Dao
,
S.
Suresh
, and
T. J.
Huang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
113
,
1522
(
2016
).
15.
B.
Dura
,
M. M.
Servos
,
R. M.
Barry
,
H. L.
Ploegh
,
S. K.
Dougan
, and
J.
Voldman
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
113
,
E3599
(
2016
).
16.
S.
Li
,
F.
Guo
,
Y.
Chen
,
X.
Ding
,
P.
Li
,
L.
Wang
,
C. E.
Cameron
, and
T. J.
Huang
,
Anal Chem.
86
,
9853
(
2014
).
17.
P. J.
Lee
,
P. J.
Hung
,
R.
Shaw
,
L.
Jan
, and
L. P.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
223902
(
2005
).
18.
S.
Hong
,
Q.
Pan
, and
L. P.
Lee
,
Integr. Biol.
4
,
374
(
2012
).
19.
A. M.
Skelley
,
O.
Kirak
,
H.
Suh
,
R.
Jaenisch
, and
J.
Voldman
,
Nat. Methods
6
,
147
(
2009
).
20.
J. P.
Frimat
,
M.
Becker
,
Y. Y.
Chiang
,
U.
Marggraf
,
D.
Janasek
,
J. G.
Hengstler
,
J.
Franzke
, and
J.
West
,
Lab Chip
11
,
231
(
2011
).
21.
F.
Guo
,
P.
Li
,
J. B.
French
,
Z.
Mao
,
H.
Zhao
,
S.
Li
,
N.
Nama
,
J. R.
Fick
,
S. J.
Benkovic
, and
T. J.
Huang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
112
,
43
(
2015
).
22.
Y. J.
Yamanaka
,
C. T.
Berger
,
M.
Sips
,
P. C.
Cheney
,
G.
Alter
, and
J. C.
Love
,
Integr. Biol.
4
,
1175
(
2012
).
23.
T. P.
Lagus
and
J. F.
Edd
,
RSC Adv.
3
,
20512
(
2013
).
24.
B.
Dura
,
Y.
Liu
, and
J.
Voldman
,
Lab Chip
14
,
2783
(
2014
).
25.
Q.
Han
,
N.
Bagheri
,
E. M.
Bradshaw
,
D. A.
Hafler
,
D. A.
Lauffenburger
, and
J. C.
Love
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
109
,
1607
(
2012
).
26.
Y.
Lu
,
Q.
Xue
,
M. R.
Eisele
,
E. S.
Sulistijo
,
K.
Brower
,
L.
Han
,
E. A. D.
Amir
,
D.
Pe'er
,
K.
Miller-Jensen
, and
R.
Fan
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
112
,
E607
(
2015
).
27.
T.
Glawdel
,
C.
Elbuken
, and
C. L.
Ren
,
Phys. Rev. E
85
,
016322
(
2012
).
28.
F.
Chen
,
Y.
Zhan
,
T.
Geng
,
H.
Lian
,
P.
Xu
, and
C.
Lu
,
Anal. Chem.
83
,
8816
(
2011
).
29.
T.
Konry
,
A.
Golberg
, and
M. L.
Yarmush
,
Sci. Rep.
3
,
3179
(
2013
).
30.
S.
Sarkar
,
N.
Cohen
,
P.
Sabhachandani
, and
T.
Konry
,
Lab Chip
15
,
4441
(
2015
).
31.
J.
Rosenblatt
,
B.
Vasir
,
L.
Uhl
,
S.
Blotta
,
C.
MacNamara
,
P.
Somaiya
,
Z.
Wu
,
R.
Joyce
,
J. D.
Levine
,
D.
Dombagoda
, and
Y. E.
Yuan
,
Blood
117
,
393
(
2011
).
32.
B. J.
McFarland
,
A. J.
Sant
,
T. P.
Lybrand
, and
C.
Beeson
,
Biochemistry
38
,
16663
(
1999
).
33.
N. B.
Martín-Cófreces
,
B.
Alarcón
, and
F.
Sánchez-Madrid
,
Front. Immunol.
2
,
24
(
2011
).
34.
R. S.
Friedman
,
J.
Jacobelli
, and
M. F.
Krummel
,
Nat Immunol.
7
,
1101
(
2006
).
35.
B. J.
Marsland
,
P.
Bättig
,
M.
Bauer
,
C.
Ruedl
,
U.
Lässing
,
R. R.
Beerli
,
K.
Dietmeier
,
L.
Ivanova
,
T.
Pfister
,
L.
Vogt
, and
H.
Nakano
,
Immunity
22
,
493
(
2005
).
36.
S. A.
Luther
,
A.
Bidgol
,
D. C.
Hargreaves
,
A.
Schmidt
,
Y.
Xu
,
J.
Paniyadi
,
M.
Matloubian
, and
J. C.
Cyster
,
J. Immunol.
169
,
424
(
2002
).
37.
T. R.
Mempel
,
S. E.
Henrickson
, and
U. H.
Von Andrian
,
Nature
427
,
154
(
2004
).
38.
T.
Okada
,
M. J.
Miller
,
I.
Parker
,
M. F.
Krummel
,
M.
Neighbors
,
S. B.
Hartley
,
A.
O'Garra
,
M. D.
Cahalan
, and
J. G.
Cyster
,
PLoS Biol.
3
,
150
(
2005
).
39.
P.
Friedl
,
A. T.
den Boer
, and
M.
Gunzer
,
Nat. Rev. Immunol.
5
,
532
(
2005
).
40.
S. C.
Bunnell
,
D. I.
Hong
,
J. R.
Kardon
,
T.
Yamazaki
,
C. J.
McGlade
,
V. A.
Barr
, and
L. E.
Samelson
,
J. Cell Biol.
158
,
1263
(
2002
).
41.
M. J.
Miller
,
A. S.
Hejazi
,
S. H.
Wei
,
M. D.
Cahalan
, and
I.
Parker
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
101
,
998
(
2004
).
42.
D.
Depoil
,
R.
Zaru
,
M.
Guiraud
,
A.
Chauveau
,
J.
Harriague
,
G.
Bismuth
,
C.
Utzny
,
S.
Müller
, and
S.
Valitutti
,
Immunity
22
,
185
(
2005
).
43.
M.
Faroudi
,
R.
Zaru
,
P.
Paulet
,
S.
Müller
, and
S.
Valitutti
,
J. Immunol.
171
,
1128
(
2003
).
44.
M.
Gunzer
,
A.
Schäfer
,
S.
Borgmann
,
S.
Grabbe
,
K. S.
Zänker
,
E. B.
Bröcker
,
E.
Kämpgen
, and
P.
Friedl
,
Immunity
13
,
323
(
2000
).
45.
G.
Makedonas
,
P. P.
Banerjee
,
R.
Pandey
,
A. R.
Hersperger
,
K. B.
Sanborn
,
G. A.
Hardy
,
J. S.
Orange
, and
M. R.
Betts
,
J. Immunol.
182
,
5560
(
2009
).
46.
B.
Lowin
,
M.
Hahne
,
C.
Mattmann
, and
J.
Tschopp
,
Nature
370
,
650
(
1994
).
47.
J.
Arnason
and
D.
Avigan
,
Immunotherapy
4
,
1043
(
2012
).
48.
J. A.
Lopez
,
O.
Susanto
,
M. R.
Jenkins
,
N.
Lukoyanova
,
V. R.
Sutton
,
R. H.
Law
,
A.
Johnston
,
C. H.
Bird
,
P. I.
Bird
,
J. C.
Whisstock
, and
J. A.
Trapani
,
Blood
121
,
2659
(
2013
).
49.
J. A.
Lopez
,
M. R.
Jenkins
,
J. A.
Rudd-Schmidt
,
A. J.
Brennan
,
J. C.
Danne
,
S. I.
Mannering
,
J. A.
Trapani
, and
I.
Voskoboinik
,
J. Immunol.
191
,
2328
(
2013
).
50.
S. A.
Ghanekar
,
L. E.
Nomura
,
M. A.
Suni
,
L. J.
Picker
,
H. T.
Maecker
, and
V. C.
Maino
,
Clin. Diagn. Lab. Immunol.
8
,
628
(
2001
).
51.
M.
Witzens-Harig
,
D.
Hose
,
S.
Jünger
,
C.
Pfirschke
,
N.
Khandelwal
,
L.
Umansky
,
A.
Seckinger
,
H.
Conrad
,
B.
Brackertz
,
T.
Rème
, and
B.
Gueckel
,
Blood
121
(
22
),
4493
4503
(
2013
).
52.
M. R.
Zaidi
and
G.
Merlino
,
Clin Cancer Res.
17
,
6118
(
2011
).
53.
A.
Billiau
,
H.
Heremans
,
K.
Vermeire
, and
P.
Matthys
,
Ann. N. Y. Acad. Sci.
856
,
22
(
1998
).
54.
V.
Sobek
,
S.
Balkow
,
H.
Körner
, and
M. M.
Simon
,
Eur. J. Immunol.
32
,
2490
(
2002
).
55.
G. L.
Beatty
and
Y.
Paterson
,
J. Immunol.
165
,
5502
(
2000
).
56.
R.
Szalat
and
N. C.
Munshi
,
Curr. Opin. Genet. Dev.
30
,
56
(
2015
).
57.
S.
Guedan
,
X.
Chen
,
A.
Madar
,
C.
Carpenito
,
S. E.
McGettigan
,
M. J.
Frigault
,
J.
Lee
,
A. D.
Posey
, Jr.
,
J.
Scholler
,
N.
Scholler
,
R.
Bonneau
, and
C. H.
June
,
Blood
124
,
1070
(
2014
).
58.
A. E.
Chang
,
B. G.
Redman
,
J. R.
Whitfield
,
B. J.
Nickoloff
,
T. M.
Braun
,
P. P.
Lee
,
J. D.
Geiger
, and
J. J.
Mulé
,
Clin. Cancer Res.
8
,
1021
(
2002
).
59.
M. R.
Parkhurst
,
C.
DePan
,
J. P.
Riley
,
S. A.
Rosenberg
, and
S.
Shu
,
J. Immunol.
170
,
5317
(
2003
).
60.
A. J.
Davenport
,
M. R.
Jenkins
,
R. S.
Cross
,
C. S.
Yong
,
H. M.
Prince
,
D. S.
Ritchie
,
J. A.
Trapani
,
M. H.
Kershaw
,
P. K.
Darcy
, and
P. J.
Neeson
,
Cancer Immunol. Res.
3
,
483
(
2015
).
61.
J. M.
Robertson
,
P. E.
Jensen
, and
B. D.
Evavold
,
J. Immunol.
164
,
4706
(
2000
).
62.
F.
Spadaro
,
C.
Lapenta
,
S.
Donati
,
L.
Abalsamo
,
V.
Barnaba
,
F.
Belardelli
,
S. M.
Santini
, and
M.
Ferrantini
,
Blood
119
,
1407
(
2012
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.