تصميم الأجهزة ميكروفلويديك لدراسة الردود الخليوي تحت واحدة أو تتعايش الكيميائية / الكهربائية / إجهاد القص المحفزات
أغسطس 13, 2016
الأجهزة الدقيقة المدمجة مع المكونات السائلة منصة في المختبر لدراسات الخلايا التي تحاكي البيئة الدقيقة في الجسم الحي. قمنا بتطوير رقائق الموائع الدقيقة القائمة على بولي ميثيل ميثاكريلات لدراسة الاستجابات الخلوية تحت محفزات الإجهاد الكيميائية / الكهربائية / القص المفردة أو المتعايشة.
الهدف العام من هذا الإجراء هو تصميم وتصنيع أجهزة مائعية دقيقة (microfluidic devices) لمراقبة كيفية استجابة الخلايا للمنبهات البيئية. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على أسئلة رئيسية في بيولوجيا الخلية والهندسة الطبية الحيوية، مثل كيفية استجابة الخلايا تحت تأثير منبهات بيئية مختلفة بما في ذلك المواد الكيميائية، وإجهادات القص، والمجال الكهربائي. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي سهولة تصنيع الأنابيب وتجميعها، كما أن هذه الأجهزة المائعية الدقيقة قد تحاكي ظروف الجسم الحي (in-vivo) بقدرات فائقة. سيقوم بتوضيح الإجراء كل من Tzu-Yuan Chou، وهو طالب جامعي من مختبري، و Hsien-San Hou، وهو باحث من مختبر الدكتور Julian Chung. للبدء، قم بتشغيل جهاز النقش بالليزر ثاني أكسيد الكربون وتحقق من اتصاله بجهاز الكمبيوتر. ثم قم بتحميل نمط "شجرة عيد الميلاد" المرسوم مسبقاً، مثل أحد الأنماط الموضحة هنا، في جهاز النقش. بعد ذلك، ضع شريحة PMMA أو قطعة من الشريط اللاصق مزدوج الوجه فوق منصة جهاز النقش. اضبط بؤرة ليزر ثاني أكسيد الكربون باستخدام شريط المعايرة وليزر الهيليوم-نيون المرئي. ثم انقش النمط على الركيزة. عند الانتهاء، ارفع ركيزة النمط، وأزل القطع غير المرغوب فيها، واستخدم تياراً من النيتروجين لتنظيف السطح من أي بقايا. كرر هذه العملية لكل مكون من مكونات الشريحة. قم بتجميع شريحة الموائع الدقيقة لإجهاد القص الكيميائي. ولتحقيق ذلك، قم بربط ثلاث شرائح من الـ PMMA المنقوشة لإجهاد القص الكيميائي باستخدام قطعتين من الشريط اللاصق مزدوج الوجه المنقوش. استخدم الغراء القوي (super glue) لتثبيت محولات أكريليك ذات أسنان لولبية في المنتصف بالطبقة العلوية من الـ PMMA في الشريحة عن طريق محاذاة الأسنان اللولبية مع الثقوب. ستعمل هذه المحولات كمداخل ومخارج للوسط وموصلات للجسر الملحي. ثم أضف قطعة أخرى من الشريط اللاصق مزدوج الوجه بسمك 0.7 mm إلى أسفل الشريحة، وثبّت الشريحة في طبق بتري بقطر 10 cm. بمجرد التجميع، ضع الشريحة في غرفة تفريغ من الهواء طوال الليل. الآن قم بتجميع شريحة المجال الكيميائي-الكهربائي. ثبّت شريحة الـ PMMA المنقوشة الخاصة بشريحة المجال الكيميائي-الكهربائي بشريط لاصق مزدوج الوجه في طبق بتري بقطر 10 cm. قبل استخدام الشرائح، عرضها للأشعة فوق البنفسجية (UV) لمدة 30 دقيقة لتعقيمها. بعد ذلك، قم بتوصيل مداخل الشرائح بمحاقن سعة 3 ml مملوءة بـ PBS عبر أنابيب بلاستيكية وصواميل تثبيت يدوية. وبنفس الطريقة، قم بتوصيل المخارج بأنبوب النفايات. اضغط ببطء على مكبس المحقنة لملء القنوات المائعية بـ PBS. حرك مكبس المحقنة ذهاباً وإياباً لإزالة الفقاعات، ثم ضع الشرائح داخل الحاضنة طوال الليل. لإعداد شرائح المجال الكيميائي-الكهربائي، املأ الصواميل الأنبوبية بـ 3% agarous لإنشاء الجسور الملحية. ثم ضع أقطاب الفضة/كلوريد الفضة في الصواميل الأنبوبية. قم بزراعة خلايا سرطان الرئة CL1-5 في وسط D-MEM المكمل بـ 10% FBS حتى تصل إلى 90% confluence. ثم قم بشفط الوسط. اغسل الخلايا مرة واحدة بـ PBS المسخن مسبقاً. وأضف 2 ml من محلول تريpsin المنظم بتركيز 0.5% إلى طبق بقطر 10 cm. أعد الخلايا إلى درجة حرارة 37
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة أجهزة مُصنعة دقيقاً ومدمجة بمكونات مائعية تهدف إلى إنشاء منصة مخبرية لدراسات الخلايا، تحاكي بدقة البيئة الدقيقة داخل الجسم الحي. يركز البحث على شرائح مائعية دقيقة تعتمد على مادة بولي ميثيل ميثاكريلات، صُممت لاستقصاء الاستجابات الخلوية تجاه محفزات متنوعة.
المكونات الرئيسية للدراسة
مجال العلم
- الموائع الدقيقة
- البيولوجيا الخلوية
- الدراسات المخبرية
خلفية علمية
- تعزز الأجهزة المصنعة دقيقياً دراسة البيئات الخلوية.
- تسمح المكونات المائعية بالتحكم الدقيق في الظروف التجريبية.
- يعد فهم الاستجابات الخلوية أمراً بالغ الأهمية لمختلف التطبيقات البيولوجية.
- يعتبر Polymethylmethacrylate مادة متعددة الاستخدامات في تطبيقات الموائع الدقيقة.
الغرض من الدراسة
- تطوير منصة لدراسة الاستجابات الخلوية في بيئة محكومة.
- محاكاة الظروف الحيوية (in vivo) باستخدام تكنولوجيا الموائع الدقيقة.
- استقصاء تأثيرات المحفزات الكيميائية والكهربائية وإجهاد القص على الخلايا.
الطرق المستخدمة
- تصميم وتصنيع الرقائق الموائع دقيقة القنوات باستخدام بولي ميثيل ميثاكريلات.
- دمج المكونات المائعية لتعزيز التحكم التجريبي.
- تطبيق محفزات متنوعة لتقييم الاستجابات الخلوية.
- إجراء تجارب مخبرية لمحاكاة الظروف الحيوية داخل الجسم.
النتائج الرئيسية
- التطوير الناجح لرقاقات الموائع الدقيقة للدراسات الخلوية.
- إثبات القدرة على التحكم في الظروف البيئية بشكل فعال.
- ملاحظة استجابات خلوية متميزة لمحفزات مختلفة.
- تقديم رؤى حول التفاعلات بين الخلايا وبيئتها الدقيقة.
الاستنتاجات
- تعد المنصة الموائع الدقيقة أداة قيمة لدراسة السلوك الخلوي.
- تساهم النتائج في فهم الاستجابات الخلوية في بيئة مضبوطة.
- قد تشمل التطبيقات المستقبلية اختبار الأدوية ونمذجة الأمراض.
الأسئلة الشائعة
الأهمية الصناعية التنفيذية
توفر المنصات الموائعية الدقيقة التي تتيح تحكماً دقيقاً في المثيرات الكيميائية والكهربائية وإجهاد القص لقطاع البحث والتطوير في الصيدلة الحيوية نهجاً قابلاً للتوسع لتقليل مخاطر التحقق من الأهداف من خلال محاكاة البيئات الدقيقة المعقدة داخل الجسم الحي. وتعمل هذه الأجهزة القائمة على مادة PMMA على زيادة الإنتاجية التجريبية لفحص الاستجابات الخلوية تحت تأثير مثيرات متعايشة، مما يدعم الرؤى الآلية في مراحل الاكتشاف المبكرة. كما تساعد هذه التقنية في تحديد أولويات الأهداف ذات الموثوقية التنبؤية الأعلى قبل تخصيص الموارد لتحديد المركبات الرائدة.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية البيولوجية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تتيح استقصاء الاستجابات الخلوية للتدرجات الكيميائية، والمجالات الكهربائية، وإجهاد القص لتوضيح مشاركة المسارات في آليات المرض.
- القيمة التشغيلية: تسمح ركائز PMMA بالتصنيع السريع ومنخفض التكلفة عبر الاستئصال بالليزر، مما يدعم التصميم التكراري في اختبار الفرضيات المستهدفة.
- القيمة التنبؤية: تحدد كمياً إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية وهجرة الخلايا تحت تأثير محفزات محددة، مما يوفر قراءات وظيفية لتقليل مخاطر الأهداف.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: يُنتج خمسة تدرجات تركيز مع تدرجات متزامنة في إجهاد القص أو المجال الكهربائي، مما يتيح الفحص متعدد المعايير في جهاز واحد.
- القيمة التشغيلية: يقلل من تكرار التجارب عن طريق دمج ظروف محفزة متعددة، مما يحسن كفاءة المقايسة لفحص مكتبات المركبات أو siRNA.
- القابلية للتوسع: متوافق مع سير عمل المجهر والحضن القياسي، مما يسهل اعتماده في سلسلة عمليات الفحص.
الأبحاث الترجمية وما قبل السريرية
- الاستمرارية الترجمية: يستخدم خلايا سرطان الرئة CL1-5 كنموذج ذي صلة بالمرض لدراسة الأنماط الظاهرية التي تحركها البيئة الدقيقة.
- تقليل المخاطر الميكانيكية: يعزل مساهمات المحفزات الكيميائية والكهربائية والميكانيكية في الاستجابات الخلوية، مما يوجه استراتيجيات العلاج المركب.
- المواءمة قبل السريرية: ترتبط المخرجات مثل الهجرة والإجهاد التأكسدي بسمات ذات صلة بالنقيلة والقدرة على الغزو.
تكامل مسار العمل وسير العمل
تعمل الرقائق الموائع الدقيقة كمنصة مقايسة في مرحلة الاكتشاف، حيث تربط بين التحقق من الهدف والفحص الأولي للمركبات الواعدة من خلال توفير أنماط ظاهرة خلوية كمية واستجابية للمحفزات.
- بيولوجيا الاكتشاف: يدعم اختبار الفرضيات حول كيفية قيام الإشارات البيئية الدقيقة بتعديل السلوك الخلوي في السرطان ونماذج الأمراض الأخرى.
- الفحص: يتيح الاختبار المتوازي للاستجابات الخلوية عبر تدرجات التركيز الكيميائي والمحفزات الفيزيائية، مما يزيد من كثافة البيانات في كل تجربة.
- التحليلات: ينتج مخرجات قابلة للقياس بما في ذلك الكشف عن ROS القائم على الفلورة ومقاييس الهجرة عبر التصوير الزمني للمقارنة الموضوعية.
- البحث الانتقالي: يستخدم خط سرطان الرئة النقيلي لربط الاستجابات البيئية الدقيقة بالأنماط الظاهرية للاجتياح ذات الصلة بالمرض.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: يسمح التصميم القائم على PMMA بالتكرار عبر المختبرات والمشاريع لضمان تقديم محفزات متسقة في دراسات الميكانيكا البيولوجية أو علم الأدوية.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: يقلل من الغموض الميكانيكي من خلال تمكين التطبيق المحكوم لمحفزات مفردة أو متعايشة لعزل مساهمات المتغيرات.
- القيمة التشغيلية: يوحد عملية تقديم المحفزات من خلال توليد تدرج قابل للتكرار، مما يقلل من التباين بين المكررات.
- القيمة الاستراتيجية: يحسن قرارات المضي قدماً أو التوقف (go/no-go) من خلال توفير قراءات متعددة المعايير للفعالية والسمية في ظل ظروف ذات صلة فسيولوجياً.
- التأثير على المحفظة: يدعم تحديد أولويات الأهداف المعدلة حسب المخاطر من خلال تحديد المركبات التي تعدل الاستجابات الخلوية المحددة للمحفزات.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في تصميم الموائع الدقيقة، والاستئصال بالليزر لمادة PMMA، وتجميع الواجهات الموائعية.
- يعتمد على توفر جهاز النقش بليزر CO2، والتعقيم بالأشعة فوق البنفسجية (UV)، ومعدات التحضير الموائعي مثل المحاقن والأنابيب.
- يستلزم توحيد معايير استزراع الخلايا، وتوقيت تطبيق المحفز، ومعايرة القراءات بين الفرق المختلفة.
- قد يتطلب التكيف مع أنواع أخرى من الخلايا تحسين أبعاد القنوات ومعدلات التدفق للحفاظ على إجهاد القص وسلامة التدرج.
- تشمل القيود العملية تكون الفقاعات أثناء التحضير وانفصال الأقطاب الكهربائية في تجهيزات المجال الكهربائي، كما هو موضح في البروتوكول.
الأسئلة الشائعة حول الأدوية الحيوية
Chapters in this video
0:05
Title
1:03
Chip Design and Fabrication
1:57
Chip Assembly
4:37
Cell Preparation and Experimental Setup
6:02
Experimental Setup
7:32
Data Analysis
8:22
Results: The Effects of Chemical Stress, Shear Stress, and Electrical Fields on Lung Cancer Cells
9:47
Conclusion
