June 22nd, 2012
Verfahren zur Kultur von Endothelzellen eine Monoschicht der gesamten inneren Oberfläche des 3D einer Mikrofluidikvorrichtung mit mikrovaskulären großen Kanälen (<30 um) beschrieben. Dies In-vitro- Mikrovaskulatur Modell ermöglicht die Untersuchung der biophysikalischen Wechselwirkungen zwischen Blutzellen, Endothelzellen, und löslichen Faktoren in hämatologischen Erkrankungen.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, ein mikrofluidisches Gerät zu schaffen, das mit Endothelzellen beschichtet ist. Dies wird erreicht, indem zunächst die mikrofluidische Form hergestellt wird. Der zweite Schritt besteht darin, den PDMS-Kanal zu erstellen.
Als nächstes werden die Endothelzellen in das Gerät ausgesät. Der letzte Schritt besteht darin, die Zellen im Gerät zu kultivieren. Letztendlich werden endothelzellbeschichtete mikrofluidische Geräte verwendet, um Zell-zu-Zell-Interaktionen in vitro zu zeigen.
Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden besteht darin, dass sie dem Forscher eine strenge Kontrolle über die biologischen und biophysikalischen Bedingungen ermöglicht und mit der Fluoreszenzmikroskopie kompatibel ist. Obwohl diese Methode Einblicke in die biophysikalischen Zellzellinteraktionen bei hämatologischen Erkrankungen geben kann, kann sie auch auf Phänomene wie die Leukozytenbiologie, die Krebsmetastasierung und die hämatopoetische Stammzellbiologie angewendet werden. Im Allgemeinen werden Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten haben, da die Bedingungen für eine erfolgreiche Zellsitzposition streng kontrolliert werden müssen.
Zur Vorbereitung der Herstellung wird eine Fotomaske erstellt, indem ein computergestütztes Designbild des Mikrofluid-Geräts an einen externen Maskenanbieter gesendet wird. Nach Erhalt besteht die Maske aus einer Chromschicht auf Kalknatronglas. Hier beträgt die mikrofluidische Kanalbreite 30 Mikrometer.
Um mit der Herstellung des mikrofluidischen Geräts zu beginnen, reinigen Sie einen blanken Silikonwafer 15 Minuten lang mit Piranha und spülen Sie ihn dann 10 Sekunden lang mit deionisiertem Wasser ab. Tauchen Sie dann den Silikonwafer 30 Sekunden lang in Flusssäure und spülen Sie ihn ca. 10 Sekunden lang mit entionisiertem Wasser ab. Anschließend wird mit einem Spin-Coter micro chem SU 8 20 25 Fotolack auf den Wafer bis zu einer Höhe von 30 Mikrometern mit einer Schleuderdrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute aufgebracht.
Legen Sie den SU 8 20 25 beschichteten Wafer fünf Minuten lang auf eine auf 95 Grad Celsius eingestellte Heizplatte, um überschüssiges Lösungsmittel zu entfernen. Ein Backofen wird für diesen Schritt nicht empfohlen. Legen Sie nun die Fotomaske über den Wafer und belichten Sie sie in einem Maskenliner mit UV-Licht, um den SU 8 20 25 Fotolack zu vernetzen.
Legen Sie den Wafer nach dem Vernetzung für weitere fünf Minuten bei 95 Grad Celsius wieder auf die heiße Platte. Um die Polymerisation von SU 8 20 25 Fotolack weiter zu beschleunigen. Tauchen Sie dann den Wafer vier Minuten lang in den SU-Acht-Entwickler, der hauptsächlich aus P-G-M-E-A besteht.
Dadurch wird das nicht vernetzte SU 8 20 25 Foto entfernt. Widerstehen. Spülen Sie den neu entwickelten Wafer 10 Sekunden lang mit 100%igem Isopropylalkohol ab und trocknen Sie ihn anschließend mit Druckstickstoff oder lassen Sie das Lösungsmittel in einem sauberen Abzug mehrere Minuten lang vom Wafer verdampfen. Kleben Sie nun die getrocknete Waffel in die Mitte der Petrischale und achten Sie darauf, das Klebeband an den Rändern der Waffel zu platzieren.
Zum Schluss pipettieren Sie 500 Mikroliter Sigma-Coat auf den Wafer. Decken Sie die Petrischale mit dem Deckel ab und schwenken Sie die Schale, um eine vollständige Beschichtung der Waffel zu gewährleisten. Nehmen Sie den Deckel ab und lassen Sie den Wafer einige Minuten trocknen, bis das gesamte Lösungsmittel verdampft ist.
Nach dem Mischen von PDMS-Polymer und Härter bei einem Verhältnis von 10 zu einem Gewichts-zu-Gew.-Verhältnis die Luftblasen mit einem Vakuum-Trockenmittel für einige Minuten bis eine Stunde entfernen, abhängig von der Stärke des verfügbaren Vakuumsystems. Nachdem alle Luftblasen entfernt wurden, gießt du die Mischung in die Form, so dass die Waffel und die Oberfläche der Form bedeckt sind. So erstellen Sie ein PDMS-Blatt mit einer Dicke von etwa fünf Millimetern.
Erstellen Sie auch ein dünnes, strukturloses Stück PDMS mit einer Dicke von einem Millimeter. Dann härten Sie die Mischung über Nacht in einem 60 Grad Celsius heißen Ofen aus. Schneiden Sie am nächsten Tag mit einem Messer oder Skalpell um den Wafer herum und entfernen Sie mehrere mikrofluidische PDMS-Geräte.
Schneiden Sie dann das Blatt aus, um einzelne Geräte zu isolieren. Schneiden Sie das PDMS-Blatt etwas größer als das mikrofluidische Gerät. Verwenden Sie nun einen Stiftschraubstock, Harris Unicorn oder ein ähnliches Gerät, um Einlass- und Auslasslöcher in das mikrofluidische Gerät zu erzeugen.
Reinigen Sie anschließend die Oberflächen des mikrofluidischen Geräts und des Blattes mit Klebeband. Verwenden Sie dann einen Plasmareiniger, um die Oberflächen des mikrofluidischen Geräts und des PDMS-Blattes 30 Sekunden lang Sauerstoffplasma auszusetzen. Das Sauerstoffplasma erzeugt reaktive Spezies auf der freiliegenden Oberfläche des PDMS, die sich verbinden, wenn sie in physischen Kontakt gebracht werden.
Füllen Sie anschließend eine Ein-Milliliter-Spritze, die mit einer 20-Gauge-Nadel mit stumpfer Spitze ausgestattet ist, mit 50 Mikrogramm pro Milliliter. Fibronektin aus menschlichem Plasma in PBS steckt dann ein Stück Schlauch über die Nadel. Führen Sie ein Stück dünneren Schlauch in das erste Schlauchstück ein, um eine Reibungspassung zwischen den beiden Schlauchstücken zu schaffen.
Befestigen Sie dann das andere Ende des dünneren Schlauchstücks am Einlass des mikrofluidischen Geräts. Üben Sie Druck auf die Spritze aus, um die Kanäle vollständig mit Fibronektinlösung zu füllen und einen kleinen Tropfen von 100 Mikrolitern an der Ausblicköffnung zu erzeugen, um sicherzustellen, dass die Kanäle feucht bleiben. Inkubieren Sie das mikrofluidische Gerät nun in einem befeuchteten Inkubator bei 37 Grad Celsius für 40 bis 60 Minuten.
Verbinden Sie nach der Inkubation eine frische, mit PBS gefüllte Spritze mit der stumpfen Nadel. Üben Sie Druck aus, um das mikrofluidische Gerät mit PBS zu spülen. Bereiten Sie 500.000 bis 2 Millionen Zellen pro Milliliter menschlicher Nabelvenen-Endothelzellen vor oder halten Sie sie in endothelialen Wachstumsmedien mit 8 % Dextran.
Die Zugabe von Dextran erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die Zellen in dem mikrofluidischen Gerät haften und erfolgreich kultiviert werden. Reinigen Sie die mit einer stumpfen Spitze versehene Spritze und einen breiteren Schlauch mit der Zellsuspension und schließen Sie einen längeren Schlauch mit einer Länge von etwa einem Meter an. Es ist wichtig sicherzustellen, dass der Schlauch fest sitzt, um Leckagen zwischen allen Verbindungen zu vermeiden.
Grundieren Sie den Schlauch mit Zelllösung und stellen Sie sicher, dass weder in der Spritze noch in einem der Schläuche Blasen vorhanden sind, um die Leistung des Systems zu optimieren. An dieser Stelle ist es wichtig, zu verhindern, dass Lecks oder Blasen in das System gelangen. Jedes Austreten der Lösung oder das Vorhandensein von Blasen im Medium verhindert das erfolgreiche Einsitzen von Endothelzellen.
Sobald alle Blasen beseitigt sind und die gesamte Länge des Schlauchs mit Zellsuspension grundiert ist, setzen Sie die Spritze auf die Pumpe und befestigen Sie das andere Ende am mikrofluidischen Einlass. Die Spritzenpumpe ist auf der gleichen Höhe wie das mikrofluidische Gerät eingestellt. Die langen Schläuche werden sorgfältig im Inkubator aufgewickelt, um sicherzustellen, dass die Zellen und Medien ausreichend erwärmt werden, bevor sie mit dem Gerät in Kontakt kommen.
Dann wird die Zellsuspension zwei Stunden lang bei 37 Grad Celsius und 5 % Kohlendioxid in unser mikrofluidisches Gerät mit einer Volumenstromrate von 1,23 Mikrolitern pro Minute infundiert. Die volumetrische Gripperate von 1,23 Mikrolitern pro Minute entspricht einer Mittelstromgeschwindigkeit von einem Millimeter pro Sekunde in kleinsten Kanälen. Dies entspricht einer Wandscherspannung von einem Cent pro Quadratzentimeter in diesen Kanälen mit Vollblut.
Sobald die Infusion der Zellsuspension abgeschlossen ist, verwenden Sie dieselbe Spritzenpumpe und einen langen Schlauch mit einer größeren Spritze, um zwei bis acht Tage lang frisches Wachstumsmedium mit einer Geschwindigkeit von 1,23 Mikrolitern pro Minute zu infundieren. Wenn sich die Zellmonoschicht auf dem gewünschten Konfluenzniveau befindet, injizieren Sie Blut oder Zellsuspension in das System für Experimente. Hier wird das mikrofluidische Gerät vor der Endothelisierung gezeigt.
Das mikrofluidische Gerät wurde mit Lebensmittelfarbe infundiert, um die Größe, den Maßstab und das Gesamtdesign des Geräts zu veranschaulichen, das die Physiologie des Gefäßsystems nachahmt. Die Hellfeldmikroskopie zeigt die Endothelisierung eines mikrofluidischen Geräts. Dieses Bild wurde weniger als 48 Stunden nach der Aussaat unter Verwendung des beschriebenen Protokolls aufgenommen. Die optimierte Perfusionstechnik ermöglicht es Endothelzellen, die gesamte innere Oberfläche des mikrofluidischen Systems fließend zu kultivieren.
Innerhalb von 24 bis 48 Stunden nach der Zellaussaat. Wie in diesem konfokalen Bild gezeigt, entspricht der mikrovaskuläre Tumor auf einem Chip mit Mikrokanälen ungefähr der 30-Mikrometer-Größe der postkapillaren Veles, dem Ort der meisten mikrovaskulären Obstruktionsereignisse der Sichelzelle. In diesem Experiment wird Vollblut von gesunden Patienten unter sauerstoffarmen Bedingungen in ein Mikrogefäßsystem auf einem Chipgerät infundiert.
Dieser Film zeigt, dass der Vollblutfluss in unserem endothelialen Mikrofluidiksystem regelmäßig, gleichmäßig und kontinuierlich ist, ohne Bereiche mit Mikrokanalobstruktion. Dabei wird Vollblut von Patienten mit Sichelzellanämie in ein Mikrogefäßsystem auf einem Chipgerät infundiert. Unter sauerstoffarmen Bedingungen sind signifikante Veränderungen des Blutflusses mit vollständigen Verschlüssen in mehreren Kanälen zu beobachten.
Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, dass beim Wechseln des Schlauchs keine Luftblasen entstehen. Das fertige Gerät ist mit der Fluoreszenzmikroskopie kompatibel und kann an herkömmliche Fluoreszenzassays angepasst werden. Diese Technik ebnet experimentellen Hämatologen den Weg, Experimente mit einzelnen Zellen in einer kontrollierten biophysikalischen und hämodynamischen Umgebung durchzuführen.
Keine Blasen.
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Dieser Artikel beschreibt eine Methode zur Kultivierung einer endothelialen Zellmonolage in einer mikrofluidischen Vorrichtung mit mikrovaskulären Kanälen. Dieses in-vitro-Modell ermöglicht die Untersuchung von Interaktionen zwischen Blutzellen, Endothelzellen und löslichen Faktoren bei hämatologischen Erkrankungen.
This endothelialized microfluidic platform addresses a critical gap in hematologic disease research by enabling precise control of microvascular hemodynamic and biophysical conditions. It provides a reproducible in vitro system to study pathogenic cell-endothelial interactions under flow, supporting mechanistic de-risking in target validation and assay development. The model enhances predictive confidence for hematologic therapeutic candidates by replicating post-capillary venule-scale pathophysiology relevant to vaso-occlusive crises.
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis screening to preclinical efficacy testing, particularly for hematologic agents targeting microvascular adhesion or endothelial activation.