Entwerfen Mikrofluidiksysteme für ein Studium zellulären Reaktionen Unter Einzel- oder Coexisting Chemie / Elektro / Schubspannung Stimuli
13. August 2016
Mikrofabrizierte Bauelemente, die mit fluidischen Komponenten integriert sind, bieten eine in vitro Plattform für Zellstudien, die die in vivo Mikroumgebung nachahmen. Wir haben Mikrofluidik-Chips auf Polymethylmethacrylat-Basis entwickelt, um zelluläre Reaktionen unter einzelnen oder koexistierenden chemischen/elektrischen/scheren Stressreizen zu untersuchen.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, mikrofluidische Geräte zu entwerfen und herzustellen, mit denen beobachtet werden kann, wie Zellen auf Umweltreize reagieren. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der Zellbiologie und Biomedizintechnik zu beantworten. Zum Beispiel, wie Zellen auf verschiedene Umweltreize reagieren, einschließlich Chemikalien, Scherspannungen und elektrischem Feld. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die Rohre leicht herzustellen und zu montieren sind. Und dies können diese mikrofludischen Geräte den In-vivo-Zustand mit hohen hervorragenden Fähigkeiten ermöglichen. Das Verfahren wird von Tzu-Yuan Chou, einem Studenten aus meinem Labor, und Hsien-San Hou, einem Post-Mitarbeiter aus dem Labor von Dr. Julian Chung, demonstriert. Schalten Sie zunächst den Kohlendioxid-Laserritzer ein und überprüfen Sie, ob er mit dem Computer verbunden ist. Laden Sie dann ein vorgezeichnetes Tannenbaummuster, wie eines der hier gezeigten Muster, in den Anreißer. Legen Sie als Nächstes eine PMMA-Platte oder ein Stück doppelseitiges Klebeband auf den Tisch des Anreißers. Stellen Sie den Fokus des Kohlendioxid-Lasers mit der Kalibrierleiste und dem sichtbaren Helium-Neon-Laser ein. Ritzen Sie dann das Muster auf den Untergrund. Wenn Sie fertig sind, nehmen Sie das Mustersubstrat auf, entfernen Sie die unerwünschten Teile und verwenden Sie einen Stickstoffstrahl, um die Oberfläche von verbleibenden Ablagerungen zu reinigen. Wiederholen Sie diesen Vorgang für jede Komponente des Chips. Montieren Sie den chemischen Scherspannungs-Mikrofluidik-Chip. Um dies zu erreichen, befestigen Sie drei Blätter der mit chemischer Scherspannung gemusterten PMMA-Platten mit zwei Stücken angeritztem doppelseitigem Klebeband. Befestigen Sie einen Acryladapter mit Schraubgewinde in der Mitte mit Sekundenkleber an der obersten PMMA-Schicht des Chips, indem Sie die Schraubengewinde und die Löcher ausrichten. Diese Adapter dienen als mittlere Einlässe, Ausgänge und Salzbrückenverbinder. Kleben Sie dann ein weiteres Stück des 07 mm dicken doppelseitigen Klebebandes an die Unterseite des Chips und befestigen Sie den Chip an einer Petrischale mit einem Durchmesser von 10 cm. Nach dem Zusammenbau legen Sie den Chip über Nacht in eine Vakuumkammer. Montieren Sie nun den chemisch-elektrischen Feldchip. Befestigen Sie die angeritzte PMMA-Platte für den chemisch-elektrischen Feldchip mit doppelseitigem Klebeband auf einer Petrischale mit einem Durchmesser von 10 cm. Setzen Sie die Chips vor der Verwendung 30 Minuten lang der UV-Strahlung aus, um sie zu sterilisieren. Verbinden Sie anschließend die Einlässe der Chips über Kunststoffschläuche und fingerfeste Muttern mit 3 ml PBS-gefüllten Spritzen. Verbinden Sie auf die gleiche Weise die Steckdosen mit einem Abflussrohr. Drücken Sie langsam auf den Kolben an der Spritze, um die Fluidkanäle mit PBS zu grundieren. Schieben Sie die Spritze hin und her, um Blasen zu entfernen, und geben Sie die Chips dann über Nacht in einen Inkubator. Um die chemisch-elektrischen Feldchips einzurichten, füllen Sie 3%agarous in die Rohrmuttern, um die Salzbrücken zu errichten. Setzen Sie dann die Silber-Silberchlorid-Elektroden in die Rohrmuttern ein. Züchten Sie Lungenkrebs-CL1-5-Zellen in D-MEM, ergänzt mit 10 % FBS, bis sie 90 % Konfluenz erreichen. Saugen Sie dann das Medium an. Waschen Sie die Zellen einmal mit vorgewärmtem PBS. Und geben Sie 2 ml einer 05%igen Tripsin-Pufferlösung auf eine Platte mit einem Durchmesser von 10 cm. Platzieren Sie die Zellen wieder bei 37
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Überblick
Diese Studie präsentiert mikrogefertigte Geräte, die mit fluidischen Komponenten integriert sind und eine In-vitro-Plattform für Zellstudien schaffen, die die In-vivo-Mikroumgebung genau nachahmt. Die Forschung konzentriert sich auf Polymethylmethacrylat-basierte Mikrofluidik-Chips, die entwickelt wurden, um zelluläre Reaktionen auf verschiedene Reize zu untersuchen.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Mikrofluidik
- Zelluläre Biologie
- In-vitro-Studien
Hintergrund
- Mikrogefertigte Geräte verbessern das Studium zellulärer Umgebungen.
- Fluidische Komponenten ermöglichen eine präzise Kontrolle der experimentellen Bedingungen.
- Das Verständnis zellulärer Reaktionen ist entscheidend für verschiedene biologische Anwendungen.
- Polymethylmethacrylat ist ein vielseitiges Material für mikrofluidische Anwendungen.
Zweck der Studie
- Eine Plattform zur Untersuchung zellulärer Reaktionen in einer kontrollierten Umgebung zu entwickeln.
- In-vivo-Bedingungen mithilfe mikrofluidischer Technologie nachzuahmen.
- Die Auswirkungen von chemischen, elektrischen und Scherbelastungsreizen auf Zellen zu untersuchen.
Verwendete Methoden
- Entwurf und Herstellung von Mikrofluidik-Chips unter Verwendung von Polymethylmethacrylat.
- Integration fluidischer Komponenten für eine verbesserte experimentelle Kontrolle.
- Anwendung verschiedener Reize zur Beurteilung zellulärer Reaktionen.
- In-vitro-Experimente zur Simulation von In-vivo-Bedingungen.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Entwicklung von Mikrofluidik-Chips für zelluläre Studien.
- Die Fähigkeit zur effektiven Kontrolle der Umgebungsbedingungen wurde demonstriert.
- Unterschiedliche zelluläre Reaktionen auf verschiedene Reize wurden beobachtet.
- Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Zellen und ihrer Mikroumgebung wurden gewonnen.
Schlussfolgerungen
- Die mikrofluidische Plattform ist ein wertvolles Werkzeug zum Studium zellulären Verhaltens.
- Die Erkenntnisse tragen zum Verständnis zellulärer Reaktionen in einer kontrollierten Umgebung bei.
- Zukünftige Anwendungen könnten die Arzneimittelprüfung und Krankheitsmodellierung umfassen.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Microfluidic platforms that enable precise control over chemical, electrical, and shear stress stimuli provide biopharma R&D with a scalable approach to de-risk target validation by mimicking complex in vivo microenvironments. These PMMA-based devices increase experimental throughput for screening cellular responses under coexisting stimuli, supporting mechanistic insight in early discovery. The technology aids in prioritizing targets with higher predictive confidence before committing resources to lead identification.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of cellular responses to chemical gradients, electric fields, and shear stress to clarify pathway involvement in disease mechanisms.
- Operational Value: PMMA substrates allow low-cost, rapid fabrication via laser ablation, supporting iterative design in target hypothesis testing.
- Predictive Value: Quantifies reactive oxygen species production and cell migration under defined stimuli, providing functional readouts for target de-risking.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates five concentration gradients with concurrent shear stress or electric field gradients, enabling multiparametric screening in a single device.
- Operational Value: Reduces experimental repeats by integrating multiple stimuli conditions, improving assay efficiency for compound or siRNA library screening.
- Scalability: Compatible with standard microscopy and incubation workflows, facilitating adoption in screening cascades.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Uses lung cancer CL1-5 cells as a disease-relevant model to study microenvironment-driven phenotypes.
- Mechanistic De-risking: Isolates contributions of chemical, electrical, and mechanical stimuli to cellular responses, informing combination therapy strategies.
- Preclinical Alignment: Outputs such as migration and oxidative stress correlate with hallmarks relevant to metastasis and invasiveness.
Pipeline & Workflow Integration
The microfluidic chips function as a discovery-stage assay platform that bridges target validation and early lead screening by providing quantitative, stimulus-responsive cellular phenotypes.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how microenvironmental cues modulate cellular behavior in cancer and other disease models.
- Screening: Enables parallel testing of cellular responses across chemical concentration and physical stimulus gradients, increasing data density per experiment.
- Analytics: Generates measurable outputs including fluorescence-based ROS detection and time-lapse migration metrics for objective comparison.
- Translational Research: Uses a metastatic lung cancer line to link microenvironmental responses to disease-relevant invasiveness phenotypes.
- Enterprise Reuse: PMMA-based design allows replication across labs and projects for consistent stimulus delivery in mechanobiology or pharmacology studies.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by enabling controlled application of single or coexisting stimuli to isolate variable contributions.
- Operational Value: Standardizes stimulus delivery through reproducible gradient generation, minimizing variability across replicates.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing multiparametric efficacy and toxicity readouts under physiologically relevant conditions.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted target prioritization by identifying compounds that modulate stimulus-specific cellular responses.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design, laser ablation of PMMA, and fluidic interface assembly.
- Depends on access to CO2 laser scriber, UV sterilization, and fluidic priming equipment such as syringes and tubing.
- Necessitates standardization of cell seeding, stimulus application timing, and readout normalization across teams.
- Adaptation to other cell types may require optimization of channel dimensions and flow rates to maintain shear stress and gradient integrity.
- Practical limitations include bubble formation during priming and electrode delamination in electric field setups, as noted in the protocol.
Biopharma FAQs
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
