使用高通量微流体设备生成动态环境条件
2021年4月17日
我们介绍了一个用于复杂生命机械高吞吐量研究的微流体系统，该系统由 1500 个培养单元、一系列增强的永久泵和现场混合模组组成。微流体芯片可分析体内高度复杂和动态的微环境条件。
微环境使细胞因子、配体浓度和组成具有高度复杂和动态性。创造类似的文化环境对于干细胞分化、免疫反应和芯片平台器官发育等复杂生命机制的体外研究至关重要。但是，使用传统的生物医学方法（如管道处理）很难产生和传递纳米体积和毫秒精度的化学信号。
为应对挑战，一个能够替代图像采集生成动态组合和顺序信号输入的文化平台需求量很大。在此协议中，介绍了微流体装置的设计和制造过程。拟议的微流体芯片由 1500 个培养单元、一系列增强的围流泵和现场混合模组组成。
我们证明该平台适合研究单细胞二维细胞群和三维神经球体。芯片上复杂动态的环境条件对神经干细胞分化和自我更新有重大影响。设计和制造程序详情如下。
芯片设计使用自动CAD软件执行。为了在显微镜上安装板架的尺寸，微型流体芯片的尺寸约为7乘5厘米，由1500个培养室组成。其中一个重要特点是它有由8个流道和200微米宽控制通道组成的渗透泵。
与2002年Step stephen Quake提议的永久泵相比，控制与流道之间的重叠面积增加了16倍，达到大约15个纳米升液体和每个泵削周期，足以满足在芯片上平行维持1500个独立环境条件的需要。该设备的另一个重要部分是两层文化室，可以保持无剪切文化环境。通过快速引导它穿过顶层来防止不需要的剪切应力。
细胞、组织和关键的有条件介质在底层保持不变。数值模拟表明，当液体通过培养室时，从左到右。剪切力是可以有效预防的。
即使在每秒10毫米的输入流速或微米大小的组织保持不受干扰在培养单元的底部。我们使用紫外线光刻技术制造了复制成型或硅晶片。使用 SU-8 3025 负光分辨率产生高度 25 微米和重量 100 微米的流体通道。
75微米和150微米高度的培养室是使用SU-8 3075光研究器制造的。AZ50X 正光分辨率用于与控制通道重叠的圆形井功能，以确保良好的连接。为了生产微流芯片，图案和空白硅晶片首先使用TMCS处理。
在负0.85兆帕的真空室中，不同数量的单体催化剂比的PDMS 10比1被彻底混合和调试1至2小时。控制层是通过旋转涂层 PDMS 在 2，200 RPM 获得的。硅晶片随后被转移到孵化器，在80摄氏度下孵育60分钟。
使用定制光学设备和等离子蚀刻机将不同的层对齐并粘合在一起。入口孔在80摄氏度的热粘合后又打了两个小时。该芯片粘合在 PDMS 涂层盖滑上，与 96 井板大小相同，在使用前在 80 离心层固化至少 12 小时。
在操作中，控制通道通过塑料管连接到微型气动电磁阀。所有井的转弯都由自定义 MATLAB 程序通过图形用户界面控制。每个芯片分别确定俯卧撑 PDMS 膜阀的最佳闭合压力，通常范围为 25 到 30 PSI。
通过将所有系列井动态组合和顺序输入，可以在芯片上生成。细胞以80%的结合度收获，并以大约每毫升10至6个功率的密度与培养基DMEM一起补充，然后通过加压含有溶液的细胞加载到芯片中。对于神经干细胞的附体和悬浮培养，细胞被收集，球体被直接加载到芯片中。
在图像采集方面，使用了带有自动转换阶段的倒置显微镜和数字互补金属氧化物半导体相机。舞台和图像采集通过软件进行控制，显示左上角和右下角腔室作为选择点，并有序地将转换阶段移动到点，以 4 倍目标镜头进行初步成像。将 4 倍目标镜头与 20 倍镜头更改，并调整成像参数，包括光强度、暴露时间等。
然后定位选择点，以便每个腔室的位置留下 13 乘 15 个腔室矩阵或由程序自动定义。在确定腔室坐标时，转化阶段移动到每个腔室，其中 X、Y、Z 焦距平面可以微调。设置间隔和成像周期的持续时间。
保存路径，然后开始成像。该系统可用于各种目标动态跟踪，如明亮场的神经干细胞分化和神经干细胞球体形成过程中的荧光场。数据分析。
使用自定义 MATLAB 程序将第 2 个格式更改为 Tif。并根据点划分数据。要分析的选择对象是细胞或组织。
输入阈值、对象大小、噪声大小进行分析。或者您可以选择按步骤分析以优化参数。然后分析所有数据。
以 MAT 格式保存结果后，使用绘图绘制结果或痕迹。本文介绍了基于活细胞微环境动态控制光刻技术的高通量微流体芯片系统的规程和文化。我们还描述了一些应仔细控制的参数，例如 PDMS 膜阀的闭合压力和与腔室平行的流体自旋控制。
在传统的细胞体外培养中，对细胞培养环境的处理是手工进行的，既费时又费力，充满液体也不容易进行标准控制。特别是几分钟的解决方案。存在产生投入、免疫药物浓度和大量消费等问题。
然而，使用我们的微流体系统，可以重复它作为刺激剂在固定剂量的单液等量的均匀浓度，比较不同的培养在不同的文化室在同一时间。不同于一些微型时间分辨率回刺激和子化分辨率通过调节流体。此外，我们的系统可以通过简单的操作获得大量的比较实验结果。
我们的系统基于扩散原理，对细胞微环境产生最小的机械干扰。对于更稳定的细胞微环境芯片，您可以增加缓冲层作为培养层深度的列表或减少中等交换的输入流体，即降低压力，这将在这里用于细胞行为的研究。需要注意的是，这项研究只检查了3T3和NSC细胞的培养。
对于其他细胞或细胞系，培养条件可与我们的参数相媲美，以调整它。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本研究介绍了一个微流控系统，该系统设计用于复杂生命机械的高通量分析。该系统具有1500个培养单元、增强型蠕动泵和现场混合模块，能够模拟体外动态微环境条件。
关键研究组成部分
科学领域
- 微流控
- 细胞培养
- 体外建模
背景
- 微环境对于研究复杂的生物过程至关重要。
- 传统方法难以复制动态化学信号。
- 需要能够提供精确化学信号的平台。
- 本研究解决了微流控装置的设计和制造问题。
研究目的
- 创建一个模拟体内条件的培养平台。
- 促进干细胞分化和免疫反应研究。
- 实现器官芯片平台的开发。
使用的方法
- 设计和制造微流控芯片。
- 集成增强型蠕动泵。
- 实施现场混合模块。
- 测试系统的动态信号输入生成。
主要结果
- 微流控系统成功模拟了复杂的微环境条件。
- 它允许高通量研究，并对化学信号进行精确控制。
- 在支持体外生物学研究方面展示了有效性。
- 在干细胞研究和器官发育中的潜在应用。
结论
- 开发的微流控平台是体外研究的重大进步。
- 它为生物学和神经科学领域的研究人员提供了一个多功能工具。
- 未来的研究可以利用这项技术进行生物医学研究的各种应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Dynamic microenvironmental control is a critical inflection point for predictive in vitro modeling in early discovery and preclinical research. This high-throughput microfluidic platform enables nanoliter-scale, millisecond-precision delivery of combinatorial and sequential signals, supporting robust hypothesis testing and mechanistic de-risking. Its scalability and reproducibility position it as a reusable asset for portfolio-wide target validation and screening workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of cellular responses to dynamic, physiologically relevant environmental cues.
- Supports functional target validation by controlling ligand and cytokine exposure sequences.
- Facilitates mechanistic de-risking through parallelized, quantitative assessment of differentiation and self-renewal markers.
- Improves predictive confidence for downstream portfolio triage.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, shear-free biological systems for high-throughput compound evaluation.
- Standardizes assay conditions across 1,500 independent culture units for reproducibility.
- Enables quantitative, automated readouts for robust screening data.
- Accelerates assay development by supporting rapid iteration of environmental variables.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in vitro conditions with disease-relevant microenvironmental dynamics.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by enabling complex input regimens.
- Provides risk-adjusted data for advancement decisions based on marker expression and morphological outcomes.
- Facilitates translational biomarker exploration in controlled, multiplexed settings.
Pipeline & Workflow Integration
This microfluidic system bridges early discovery, screening, and preclinical research by enabling dynamic environmental manipulation and high-content analysis in a single platform.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by delivering precise, programmable signal inputs.
- Screening: Provides assay readiness and reproducibility with automated, parallelized culture control.
- Analytics: Delivers quantitative, image-based outputs for comparative analysis of cellular responses.
- Translational Research: Enables modeling of disease-relevant conditions and biomarker validation.
- Enterprise Reuse: Functions as a scalable, adaptable platform for diverse cell types and experimental designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in cell-based assays.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable workflows for high-throughput studies.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by enabling robust, multiplexed experimentation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement across multiple discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device operation and image-based data analysis.
- Needs access to automated microscopy and custom analytical software infrastructure.
- Demands cross-team standardization of input parameters and data formats.
- Adaptation of culture conditions may be necessary for different cell types or models.
- Practical limitations include initial setup complexity and parameter optimization for new applications.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:23
Microfluidic Chip Design
4:33
Chip Fabrication and Operation
5:32
Microfluidic Chip Production using Soft Lithograph
7:03
Chip Operation
7:59
Generation of Dynamic Inputs in Cellular Microenviroments
8:43
Setup for High Throughput Live-cell Imaging
10:44
Automatic Data Analysis
11:42
Discussion
