Herstelltes PDMS-PC-Hybrid-Mikrofluidik-Zellkulturgerät. Abb. 1 zeigt ein Foto und eine Illustration des mikrofluidischen Geräts. Die untere Schicht enthält vier Ebenen von wellenförmig verlaufenden Kanälen, die Lösungen aus Reagenzien erzeugen, die über zwei getrennte Einlässe mit sechs unterschiedlichen Mischverhältnissen zugeführt werden. Theoretisch betragen die sechs verschiedenen Mischverhältnisse 1:0, 4:1, 3:2, 2:3, 1:4 und 0:1 (links:rechts) zwischen den beiden aus den Einlässen zugeführten Lösungen. Die durch die sechs unterschiedlichen Mischverhältnisse erzeugten chemischen Gradienten können in der stromabwärts gelegenen Zellkammer aufgebaut werden. Die obere und untere Schicht sind durch eine PDMS-Membran getrennt. In der oberen Schicht werden die Reagenzien für die Sauerstoff-abfangende chemische Reaktion über zwei separate Einlässe in den mikrofluidischen Kanal eingeleitet. Die Reagenzien werden unmittelbar vor dem Durchströmen über der Zellkammer miteinander vermischt, um den Sauerstoff aus dem unteren Kanal abzufangen, ohne dass ein direkter chemischer Kontakt entsteht. Die eingebettete PC-Folie, die im Vergleich zu PDMS einen geringeren Gassdiffusionskoeffizienten aufweist, wirkt als Diffusionsbarriere und erhöht so die Effizienz der Sauerstoffabsorption. Sauerstoff diffundiert allmählich durch das PDMS im stromabwärtigen Bereich zurück in die Zellkammer und erzeugt entlang der Strömungsrichtung einen Sauerstoffgradienten. Da die chemische Reaktion zur Sauerstoffabsorption räumlich begrenzt ist, werden nur lokale Sauerstoffpartialdrücke beeinflusst. Dadurch kann das Gerät in einem herkömmlichen Zellinkubator verwendet werden, ohne den globalen Sauerstoffpartialdruck zu verändern. Bei Migrationsversuchen werden Zellen in der Zellkammer ausgesät und beobachtet. Das Wachstumsmedium und die chemischen Reagenzien werden mithilfe von Spritzenpumpen mit präzise eingestellten Durchflussraten dem Gerät zugeführt.
Charakterisierung der chemischen und Sauerstoffgradienten, die innerhalb des Geräts erzeugt werden. Aufgrund der laminaren Strömungseigenschaften der Mikrofluidik können Strömungsverhalten mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) vorhergesagt werden. In dieser Arbeit erstellten wir ein 3D-Modell und führten die Simulation mit einer kommerziell verfügbaren Multiphysik-Modellierungssoftware durch. Abb. 2(a) zeigt einen Vergleich zwischen experimentell bestimmten Fluorescein-Konzentrationsprofilen über die Breite der Zellkulturkammer, basierend auf Fluoreszenzintensitätsmessungen, und den Ergebnissen der numerischen Simulation. Die Übereinstimmung zwischen experimentellen und Simulationsdaten legt nahe, dass das CFD-Modell die innerhalb des Geräts erzeugten chemischen Gradienten gut abschätzen kann. Abb. 2(b) zeigt den simulierten SDF-1α-Gradienten, der in der Zellkulturkammer entsteht. Abb. 3 zeigt die Charakterisierungsergebnisse des Sauerstoffgradienten durch Strömung eines sauerstoffempfindlichen Fluoreszenzfarbstoffs in der Zellkulturkammer vor den Zellversuchen. Das Ergebnis zeigt, dass ein Sauerstoffgradient im Bereich von etwa 1 bis 16 % mit dem oben beschriebenen Protokoll erzeugt werden kann.
Ergebnisse zur Zellmigration. Als Demonstration führten wir Untersuchungen zur A549-Zellmigration unter vier Kombinationen von Chemokin (SDF-1α) und Sauerstoffgradienten durch: (1) ohne Chemokin- und ohne Sauerstoffgradient als Kontrolle, (2) mit Chemokingradient und ohne Sauerstoffgradient, (3) mit Sauerstoffgradient und ohne Chemokingradient sowie (4) mit beiden Gradienten, Chemokin- und Sauerstoffgradient. Abb. 4 zeigt das Foto der gesamten experimentellen Anordnung. Alle Experimente wurden in einem herkömmlichen Zellkultur-Inkubator durchgeführt, wobei die gesamte Apparatur (einschließlich der mikrofluidischen Vorrichtungen, Spritzenpumpen und Live-Cell-Imaging-Mikroskope) darin platziert wurde. Die Ergebnisse zur Zellmigration sind in Abb. 5 dargestellt. Abb. 5(a) zeigt die während der Experimente mit dem Live-Cell-Imaging-Analysator aufgenommenen Bilder, und Abb. 5(b) sowie (c) zeigen die Zellmigrationspfade und durchschnittlichen Bewegungen unter den vier Kombinationen, analysiert mit der ImageJ-Software und Zusatzmodulen. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche Zellwanderstrecke in der Kontrolle nahezu null beträgt, was auf eine zufällige Zellbewegung im Experiment hindeutet. Im Gegensatz dazu erfolgt die durchschnittliche Zellbewegung allein mit Chemokingradient nach links, wo die SDF-1α-Konzentration höher ist. Die Ergebnisse deuten auf ein Chemotaxis-Verhalten der A549-Zellen in Richtung SDF-1α hin, das bereits früher beschrieben wurde. In dem Experiment mit alleinigem Sauerstoffgradient bewegen sich die Zellen im Durchschnitt nach oben, wo die Sauerstoffspannung niedriger ist. Besonders interessant ist, dass im Experiment mit senkrecht zueinander stehenden Chemokin- und Sauerstoffgradienten die durchschnittliche Zellbewegung nach oben erfolgt, ohne erkennbare horizontale Bewegung (Richtung des Chemokingradienten).

Abbildung 1: Hergestelltes mikrofluidisches Zellkultur-System aus PDMS-PC. (a) Fotografie des hergestellten Geräts, das zuverlässig senkrecht zueinander stehende chemische und Sauerstoff-Gradienten für Zellwanderungsstudien erzeugen kann. Der Kanal für den chemischen Gradienten ist mit blauer und gelber Lebensmittelfarbe gefüllt, um die Erzeugung des Gradienten innerhalb der Zellkulturkammer zu demonstrieren. Der Kanal für den Sauerstoffgradienten ist mit roter Lebensmittelfarbe gefüllt. Die Maßstabsleiste beträgt 1 cm. (b) Schematische Darstellung des mikrofluidischen Geräts. Die obere Schicht besteht aus PDMS und enthält eine eingebettete PC-Schicht als Gassperrschicht zur effizienten Kontrolle des Sauerstoffgradienten in der Zellkulturkammer. (c) Die Urformen („Master molds“) zur Herstellung der oberen und unteren Schichten. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Ansicht dieser Abbildung aufzurufen.

Abbildung 2: Chemischer Gradient innerhalb der mikrofluidischen Zellkulturvorrichtung. (a) Numerisch simulierte und experimentell bestimmte Fluorescein-Konzentrationsgradienten innerhalb der Zellkammer entlang der Breite der Zellkammer (Y-Richtung). Die Ähnlichkeit zwischen den simulierten und experimentell gemessenen Gradienten zeigt, dass die Simulation den chemischen Gradienten gut vorhersagen kann. Die Vergrößerung in der Abbildung zeigt das dreidimensionale (3D) Modell, das für die Simulation erstellt wurde. (b) Ergebnis der numerischen Simulation des SDF-1α-Chemokinen-Gradienten entlang der Breite der Zellkammer für Zellwanderungsstudien. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Darstellung dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 3: Sauerstoffgradient innerhalb der mikrofluidischen Zellkulturvorrichtung. Experimentell gemessene Sauerstoffgradienten innerhalb der Zellkulturkammer entlang der Strömungsrichtung. Die Gradienten wurden mithilfe des sauerstoffempfindlichen Fluoreszenzfarbstoffs und einer Bildanalyse bestimmt. Die Gradienten, von links nach rechts der Kammer, wurden charakterisiert, und die Ergebnisse zeigen konsistente Gradientenprofile über die Breite der Kammer hinweg.

Abbildung 4: Fotos des experimentellen Aufbaus. Der gesamte Aufbau, einschließlich mikrofluidischer Geräte, Spritzenpumpen und eines Live-Cell-Imaging-Mikroskops, befindet sich innerhalb eines herkömmlichen Zellkulturinkubators, um optimale Zellkulturbedingungen während der Experimente zu gewährleisten. Klicken Sie bitte hier, um eine vergrößerte Ansicht dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Ergebnisse der Zellmigrationsstudie unter senkrechten SDF-1α- und Sauerstoffgradienten. (a) Bilder, die vor und nach der 12-stündigen Zellmigrationsstudie aufgenommen wurden. Die Migrationswege der Zellen können anhand der zeitlich versetzten Aufnahmen mithilfe eines Live-Cell-Imaging-Mikroskops analysiert werden. (b) Die Zellmigrationswege sowie die analysierten durchschnittlichen Migrationsbewegungen anhand der aufgenommenen Bilder unter vier verschiedenen Gradientenkombinationen: kein Gradient, nur Chemokin-Gradient, nur Sauerstoff-Gradient sowie sowohl Chemokin- als auch Sauerstoffgradient. Die Bilder wurden alle 15 Minuten aufgenommen. Die Maßstabsleiste entspricht 250 µm. (c) Darstellung der durchschnittlichen Zellmigrationsdistanzen in senkrechter (Sauerstoffgradient) und horizontaler (Chemokingradient) Richtung unter vier verschiedenen Gradientenkombinationen. Die Daten sind als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt, ermittelt aus drei unabhängigen Experimentdurchläufen, wobei jeweils 10 Zellen pro Experiment ausgewertet wurden. Statistisch signifikante Unterschiede (unabhängiger Student-t-Test, p < 0,01) sind durch unterschiedliche Buchstaben (a und b) gekennzeichnet. Klicken Sie hier, um eine vergrößerte Ansicht dieser Abbildung einzusehen.