Name: Polydimethylsiloxanhaltigen Polycarbonat Mikrofluidiksysteme für Zellmigrationsstudien unter Perpendicular Chemische und Sauerstoff Gradients (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-23T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 23 s
Description: Erfahren Sie, wie ein PDMS-PC-Mikrofluidiksystem die Zellmigration unter chemischen und Sauerstoffgradienten untersucht. Diese Methode ermöglicht Studien zur Krebsmetastase und Arzneimittelprüfung in vitro.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dieser Artikel basiert auf Arbeiten, die von den National Health Research Institutes (NHRI) in Taiwan im Rahmen des Innovative Research Grant (IRG) (EX105-10523EI), dem taiwanesischen Ministerium für Wissenschaft und Technologie (MOST 103-2221-E-001-001-MY2, 104-2221-E-001-015-MY3, 105-2221-E-001-002-MY2), dem Academia Sinica Thematic Project (AS-105-TP-A06) und dem Research Program in Nanoscience and Nanotechnology unterstützt wurden. Die Autoren danken Frau Rachel A. Lucas für das Korrekturlesen des Manuskripts.

1. Herstellung des mikrofluidischen Geräts
HINWEIS: Das gesamte mikrofluidische Gerät wird mit dem Soft-Lithographie-Replik-Formverfahren hergestellt13.
<ol>
	<li>Herstellung von Formen für die PDMS-Schichten in der mikrofluidischen Baurichtung
	<ol>
		<li>Entwerfen Sie die mikrofluidischen Kanalmuster mit handelsüblicher Illustrations- oder Zeichensoftware. Senden Sie die Datei an ein Unternehmen für den hochauflösenden Druck von Fotomasken mit Transparenz14.</li>
		<li>Reinigen Sie Siliziumwafer mit Aceton (≥99,5 %), Isopropylalkohol (IPA; ≥99,9 %) und gepuffertem Oxidätzen (BOE; 6:1 NH4F.HF). Spülen Sie mit deionisiertem (DI) Wasser und dehydrieren Sie den Wafer mit einer Stickstoffpistole.</li>
		<li>Schleudern Sie ca. 20 g Negativton-Fotolack SU-8 2050 bei 500 U/min für 15 Sekunden und dann 2.000 U/min für 30 Sekunden auf die Wafer 
		HINWEIS: Die Spin-Beschichtungsbedingung sollte nach der optischen Lithographie SU-8 2050-Fotolackschichten mit einer Dicke von ca. 75 μm auf den Wafern ergeben.</li>
		<li>Die Waffeln auf einer 65 °C heißen Platte 3 min und anschließend 9 min bei 95 °C weich backen. Nach dem Softbake belichten Sie die Wafer mit einem Masken-Aligner mit den entworfenen Transparenzmasken unter UV-Licht; Die Gesamtexpositionsenergie sollte etwa 300 mJ/cm2 betragen. Nach der Belichtung (PEB) werden die Wafer 2 min lang bei 65 °C und anschließend 7 min lang bei 95 °C gebacken.</li>
		<li>Tauchen Sie die Wafer nach dem PEB für 7 min in den SU-8-Entwickler unter starkem Rühren oder in ein Ultraschallbad (37 kHz und 180 W effektive Ultraschallleistung). Spülen Sie den Wafer mit Aceton und IPA, um die Reste von SU-8 zu entfernen.</li>
		<li>Legen Sie den Wafer und 100 μl Silan (1H,1H,2H,2H-Perfluoroctyltrichlorsilan) in eine Petrischale mit einem Durchmesser von 6 cm in einen Exsikkator, der mit einer Membranvakuumpumpe für die Silanisierung der Waferoberfläche verbunden ist, um eine unerwünschte Bindung zu verhindern. Schalten Sie die Pumpe für 15 Minuten ein, schalten Sie sie aus und verschließen Sie den Exsikkator 30 Minuten lang mit einem Vakuum</li>.
		<li>Nehmen Sie die silanisierten Wafer aus dem Exsikkator und kleben Sie sie auf Petrischalen mit einem Durchmesser von 15 cm für den folgenden Softlithographie-Prozess:</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Herstellung und Montage von PDMS-Schichten
	<ol>
		<li>Vorbereitung des PDMS-Prepolymers
		<ol>
			<li>Mischen Sie das PDMS-Monomer (Base) und das Härter im Verhältnis 10:1 (v/v). Entgasen Sie das Gemisch in der Exsikkatoranlage für 60 min.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Herstellung der PC-eingebetteten Deckschicht
		<ol>
			<li>Übertragen Sie 2 g des PDMS-Präpolymers auf die Form mit den fluidischen Kanalmustern der oberen Schicht, um eine dünne Schicht PDMS herzustellen. Platzieren Sie die Form in der Exsikkator-Setup, um das PDMS 60 Minuten lang zu entgasen.</li>
			<li>Stellen Sie die Form über Nacht in einen 60 °C heißen Ofen, um sie mit PDMS auszuhärten. Achte darauf, dass sich die Form auf einer horizontalen Ebene befindet.</li>
			<li>Kühle die Form auf Raumtemperatur ab. Gießen Sie weitere 13 g PDMS-Prepolymer auf die Form und entgasen Sie das PDMS im Exsikkator-Setup für 60 min.</li>
			<li>Betten Sie langsam eine 1 mm dicke PC-Folie als Gasdiffusionsbarriere in die frische PDMS-Schicht ein und stoßen Sie bei Bedarf Blasen aus.</li>
			<li>Stellen Sie die Form über Nacht in den 60 °C heißen Ofen und achten Sie darauf, dass sie auf einer horizontalen Ebene steht.</li>
			<li>Kühlen Sie das ausgehärtete PDMS auf Raumtemperatur ab. Schneiden Sie das Gerät mit einem Skalpell auf eine Fläche von ca. 5,5 x 5 cm2 zu, die alle Kanalmuster abdecken kann, und ziehen Sie die PDMS-Platte aus der Form ab.</li>
			<li>Stanzen Sie Löcher für Ein- und Auslässe mit einem Biopsiestempel mit einem Durchmesser von 2 mm. Lagern Sie die gefertigte obere PDMS-PC-Schicht für die spätere Montage vor Umgebungsstaub geschützt.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Herstellung der unteren PDMS-Schicht
		<ol>
			<li>Gießen Sie 11 g des PDMS-Prepolymers auf die Form für die untere Schicht. Legen Sie die Form in den Exsikkator, um das PDMS 60 Minuten lang zu entgasen. Bewahren Sie die Form über Nacht in einem 60 °C Ofen auf, um das PDMS auszuhärten. Stellen Sie sicher, dass es auf einer horizontalen Ebene liegt.</li>
			<li>Kühlen Sie das PDMS auf Raumtemperatur ab. Schneiden Sie das Gerät auf eine Fläche von ca. 5,5 x 5 cm2 zu, die alle Kanalmuster abdecken kann, und ziehen Sie es aus der Form. Lagern Sie die vorgefertigte untere PDMS-Schicht für die spätere Montage fern von Umgebungsstaub.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Herstellung der PDMS-Membran
		<ol>
			<li>Schleudern Sie ca. 4 g PDMS-Prepolymer auf einen silanisierten Blank-Wafer bei 100 U/min für 90 Sekunden und dann 3.000 U/min für 4 Sekunden. Backen Sie den geschleuderten Wafer über Nacht in einem 60 °C-Ofen.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Montage des Gerätes
		<ol>
			<li>Legen Sie die gefertigte PDMS-PC-Deckschicht und den Wafer mit der spinnbeschichteten PDMS-Membran mit den Bondflächen nach oben in eine O2 Plasma-Oberflächenbehandlungsmaschine. Die PDMS-Oberflächen werden 40 Sekunden lang mit 90 W O2 -Plasma behandelt.</li>
			<li>Kleben Sie die Deckschicht direkt nach der O2 -Plasma-Oberflächenbehandlung auf die PDMS-Membran. Legen Sie ein Gewicht (ca. 600 g) auf die Verbundlagen und stellen Sie sie über Nacht in einen 60 °C heißen Ofen, um die Verklebung zu fördern.</li>
			<li>Kühlen Sie die Verbundschichten auf Raumtemperatur ab und schneiden Sie die mit der Deckschicht verklebte Membran mit einem Skalpell auf eine Fläche von ca. 5,5 x 5 cm2 ab, die alle Kanalmuster abdecken kann. Ziehen Sie die gebundene Struktur vom Siliziumwafer ab und stanzen Sie mit einem Biopsiestanzer mit einem Durchmesser von 2 mm Löcher an den Ein- und Auslässen des chemischen Gradientenkanals.</li>
			<li>Die membrangebundene Deckschicht und die gefertigte PDMS-Unterlage werden mit den Klebeflächen nach oben in die O2 Plasma-Oberflächenbehandlungsmaschine gelegt, um die PDMS-Oberflächen mit dem Plasma bei 90 W für 40 Sekunden zu aktivieren.</li>
			<li>Befestigen Sie die obere und untere Schicht für die Verklebung unmittelbar nach der Oberflächenbehandlung miteinander. Legen Sie ein Gewicht (ca. 600 g) auf das gesamte verklebte Gerät und stellen Sie es über Nacht in einen 60 °C heißen Ofen.</li>
			<li>Nehmen Sie das gesamte gefertigte Gerät aus dem Ofen und kühlen Sie es auf Raumtemperatur ab.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Mikrofluidischer Zellmigrationsassay
HINWEIS: In diesem Artikel verwenden wir eine häufig verwendete Zelllinie, die adenokarzinomische humane alveoläre Basalepithelzelle (A549), und ein Chemokin, Stromazell-abgeleiteter Faktor (SDF-1α), als Beispiele. Für Forscher, die an anderen Zellen und Chemokinen arbeiten, passen Sie bitte die experimentellen Prozesse entsprechend an.
<ol>
	<li>Tag 0: Vorbereitung der Zellen
	<ol>
		<li>Kultivieren Sie den Bestand an A549-Zellen in einem vollständigen Wachstumsmedium, das DMEM F12 L-Glutaminersatz, 10 % (v/v) fötales Rinderserum (FBS) und 1 % (v/v) antimikrobiver-antimykotische Lösung enthält. Subkultur durch Dissoziation mit 0,25% Trypsin-EDTA.</li>
		<li>Bereiten Sie Zellsuspensionen für die Experimente vor, indem Sie dissoziierte Zellen bei 140 x g für 3 min bei Raumtemperatur zentrifugieren. Für die mikrofluidischen Geräteexperimente werden die Zellen mit einem Hämozytometer gezählt und mindestens 1 x 106 Zellen in einen T75-Kolben mit 10 ml vollständigem Wachstumsmedium ausgesät. 
		HINWEIS: Alle Zellkulturprozesse werden in einem Inkubator mit einer Atmosphäre von 37 °C und 5 % CO2 durchgeführt.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Tag 1: Vorbereitung des Geräts
	<ol>
		<li>Setzen Sie das Gerät in die O2 -Plasmamaschine ein und behandeln Sie es 40 Sekunden lang mit O2 -Plasma bei 90 W, um die mikrofluidischen Kanaloberflächen hydrophil zu machen.</li>
		<li>Unmittelbar nach der Oberflächenbehandlung installieren Sie zwei stumpfe 14-G-Nadeln, indem Sie die Nadeln direkt in die Löcher mit einem Durchmesser von 2 mm einführen, die in die PDMS-Schicht an den Einlässen des chemischen Gradientenkanals gestanzt sind. Achten Sie darauf, dass die Nadeln die mikrofluidischen Kanäle nicht blockieren. Entnehmen Sie 0,8 ml ddH2O mit einer 1 ml Spritze und einer stumpfen 14 G Nadel. Injizieren Sie das ddH2O vom Auslass in den chemischen Gradientenkanal, bis das Wasser aus beiden Nadeln an den Einlässen austritt.</li>
		<li>Bereiten Sie 1 ml 50 μg/ml Fibronektinlösung vor, indem Sie Fibronektinbrühe mit Dulbeccos phosphatgepufferter Kochsalzlösung (DPBS) verdünnen.</li>
		<li>Die Fibronektinlösung wird aus dem Auslass des chemischen Gradientenkanals mit einer 1-ml-Spritze mit einer stumpfen 14-G-Nadel infundiert, bis die Lösung aus beiden Nadeln an den Einlässen austritt.</li>
		<li>Inkubieren Sie das gesamte Gerät über Nacht in einem herkömmlichen Zellkultur-Inkubator.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Tag 2: Zellaussaat und mikroskopische Bildgebung
	<ol>
		<li>Aussaat von Zellen
		<ol>
			<li>Aspirieren Sie das Medium aus den Zellen, die seit Tag 0 kultiviert wurden, und waschen Sie die Zellen 2 Mal mit 5 ml DPBS. Das DPBS wird aspiriert, 2 ml Trypsin-EDTA zugegeben und die Zellen 5 Minuten lang im Inkubator inkubiert, um die Zellen von der Kolbenoberfläche zu lösen.</li>
			<li>Warten Sie, bis sich die Zellen gelöst und in der Lösung suspendiert haben, und geben Sie 8 ml serumfreies Medium (DMEM F12 + 1% (v/v) antimikrobisch-antimykotische Lösung) in den Kolben. Die gesamte Flüssigkeit in ein konisches 15-ml-Röhrchen umfüllen und bei 140 x g 5 Minuten bei Raumtemperatur zentrifugieren.</li>
			<li>Der Überstand wird nach dem Zentrifugieren aspiriert und eine angemessene Menge des serumfreien Mediums hinzugefügt, um die endgültige Zelldichte auf 1 x 106 Zellen/ml zu erhöhen. Nehmen Sie das an Tag 1 vorbereitete mikrofluidische Gerät heraus. Zählen Sie die Zellen mit einem Hämozytometer oder einem anderen automatischen Zellzählinstrument.</li>
			<li>Injizieren Sie serumfreies Medium aus dem Auslass des chemischen Gradientenkanals mit einer 1-ml-Spritze mit einer stumpfen 14-G-Nadel, bis das Medium aus beiden Nadeln an den Einlässen austritt. Injizieren Sie 200 μl der Zellsuspension aus dem Auslass des chemischen Gradientenkanals.</li>
			<li>Beobachten Sie die Zellkulturkammer im Gerät unter einem Mikroskop, um zu bestätigen, dass die Zellen in den mikrofluidischen Kanal eingeführt wurden. Stellen Sie das Gerät in einen feuchten Behälter (z. B. eine Plastikbox mit ddH2O darin) und bewahren Sie es 5 Stunden lang in einem Zellkultur-Inkubator auf, um die Adhäsion der Zellen auf der Geräteoberfläche zu fördern.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Vorbereitung von Reagenzien für die Erzeugung chemischer Gradienten
		<ol>
			<li>Bereiten Sie die Chemikalie (SDF-1α) in der gewünschten Konzentration (100 ng/ml) in einem serumfreien Medium vor. Ziehen Sie das serumfreie Medium mit und ohne Chemikalie in zwei separate 3-ml-Spritzen, die mit hochreinen Schläuchen verbunden sind. Setzen Sie die Spritzen für den späteren Gebrauch auf eine Spritzenpumpe mit einer Durchflussmenge von 1 μl/min.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Vorbereitung der Reagenzien für die Erzeugung von Sauerstoffgradienten
		<ol>
			<li>15 ml 1 M NaOH-Lösung und 15 ml 200 mg/ml Pyrogallol-Lösung herstellen. Ziehen Sie die NaOH- und Pyrogallol-Lösungen in zwei separate 15-ml-Spritzen, die mit hochreinen PTFE-Schläuchen bzw. hochreinen Schläuchen verbunden sind. Setzen Sie die Spritzen für den späteren Gebrauch auf eine Spritzenpumpe mit einer Durchflussmenge von 5 μl/min.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Aufbau eines mikrofluidischen Geräts
		<ol>
			<li>Nehmen Sie nach der 5-stündigen Inkubation das gesamte Gerät heraus und legen Sie es auf eine Petrischalen mit einem Durchmesser von 15 cm. Befestigen Sie das Gerät mit Klebemasse in der Petrischale. Übertragen Sie die Petrischale in ein Mikroskop mit lebenden Zellen in einem Inkubator.</li>
			<li>Verbinden Sie den Schlauch von den Spritzen für die Erzeugung des chemischen Gradienten mit den Einlässen des chemischen Gradientenkanals. Verbinden Sie den Auslass mit einem Schlauch, der zu einem Abfallbehälter führt. Schalten Sie die Spritzenpumpe mit den Spritzen ein, um den chemischen Gradienten zu erzeugen.</li>
			<li>Verbinden Sie den hochreinen Schlauch von den Spritzen, die NaOH und Pyrogallol enthalten, mit den Einlässen des Sauerstoffgradientenkanals. Schließen Sie den Schlauch an den Auslass an, um den Abfall aufzufangen. Schalten Sie die Spritzenpumpe mit den Spritzen ein, um den Sauerstoffgradienten zu erzeugen.</li>
			<li>Geben Sie etwa 15 ml ddH2O in die Petrischale, um das Gerät mit Feuchtigkeit zu versorgen. Richten Sie das Mikroskop für die Bildgebung lebender Zellen für die Aufnahme von Bildern im Zeitraffer ein und nehmen Sie alle 15 Minuten ein Bild auf.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Tag 3: Datenerhebung und -analyse
	<ol>
		<li>Übertragen Sie die erfassten Bilddateien auf einen Computer. Analysieren Sie die Bilder mit einer Open-Source-Bildanalysesoftware, ImageJ, mit einem Open-Source-Plugin für manuelles Tracking (https://imagej.nih.gov/ij/plugins/track/track.html) und einer kostenlosen Chemotaxis Tool-Software (http://ibidi.com/xtproducts/en/Software-and-Image-Analysis/Manual-Image-Analysis/Chemotaxis-and-Migration-Tool)15,16.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Charakterisierung der Farbverläufe
HINWEIS: Die chemischen und Sauerstoffgradienten können vor oder nach den Zellexperimenten charakterisiert werden.
<ol>
	<li>Numerische Simulation des chemischen Gradienten
	<ol>
		<li>Schätzen Sie die laminare Strömungsnatur der Mikrofluidik mit Hilfe der CFD-Simulation (Computational Fluidic Dynamics).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Experimentelle Charakterisierung des Sauerstoffgradienten
	<ol>
		<li>Bereiten Sie einen sauerstoffempfindlichen Fluoreszenzfarbstoff, Tris(2,2′-bipyridyl)ruthenium(III)-chlorid-Hexahydrat, in Wasser in einer Konzentration von 5 mg/ml vor.</li>
		<li>Die sauerstoffempfindliche Farbstofflösung wird in zwei separate 3-ml-Spritzen gegeben, die mit einem hochreinen Schlauch verbunden sind. Stellen Sie die Spritzen auf eine Spritzenpumpe mit einer Durchflussrate von 1 μl/min (identisch mit den Durchflussraten, die für die Erzeugung des chemischen Gradienten verwendet werden).</li>
		<li>Verbinden Sie den Schlauch von den Spritzen mit den Einlässen des chemischen Gradientenkanals. Verbinden Sie den Auslass mit einem Schlauch, der zu einem Abfallbehälter führt. Schalten Sie die Spritzenpumpe mit den Spritzen ein, um den chemischen Gradienten zu erzeugen.</li>
		<li>Messen Sie die Fluoreszenzintensität mit einem inversen Fluoreszenzmikroskop, wobei das Anregungslicht durch einen optischen Filter von 470 ± 20 nm fällt. Sammeln Sie das Emissionslicht durch einen 515-nm-Langpass-Emissionsfilter mit einer coolen CCD-Kamera.</li>
		<li>Verbinden Sie den hochreinen Schlauch von den Spritzen, die NaOH und Pyrogallol enthalten, mit den Einlässen des Sauerstoffgradientenkanals. Schließen Sie den Schlauch an den Auslass an, um den Abfall aufzufangen. Schalten Sie die Spritzenpumpe mit den Spritzen ein, um den Sauerstoffgradienten zu erzeugen.</li>
		<li>Sammeln Sie die Fluoreszenzbilder des sauerstoffempfindlichen Farbstoffs, der in der Zellkulturkammer fließt.</li>
		<li>Stoppen Sie den Durchfluss für die Erzeugung von Sauerstoffgradienten und trennen Sie alle Schläuche vom Sauerstofferzeugungskanal. Schließen Sie hochreine Schläuche von den Gasflaschen an den Auslass des Sauerstoffgradientenkanals an.</li>
		<li>Sammeln Sie die Fluoreszenzbilder des sauerstoffempfindlichen Farbstoffs, der in der Zellkulturkammer fließt, wenn Luft, reiner Stickstoff und reiner Sauerstoff in den Schlauch strömt, der mit dem Sauerstoffgradientenkanal verbunden ist.</li>
		<li>Schätzen Sie die Sauerstoffgradienten durch Analyse der Fluoreszenzbilder unter Verwendung der Stern-Volmer-Gleichung gemäß den Referenzen 10 und 11.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Phillips, J. E., Burns, K. L., Le Doux, J. M., Guldberg, R. E., García, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+graded+tissue+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+USA%22%5BJournal%5D)">Engineering graded tissue interfaces.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105 (34), 12170-12175 (2008).</li>
<li>Wang, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+signaling+mechanisms+underlying+polarity+and+chemotaxis%5BTitle%5D)+AND+%22Cold+Spring+Harb.+Perspect+Biol%22%5BJournal%5D)">The signaling mechanisms underlying polarity and chemotaxis.</a> Cold Spring Harb. Perspect Biol. 1 (4), 1-16 (2009).</li>
<li>Oh, S. H., Ward, C. L., Atala, A., Yoo, J. J., Harrison, B. S. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19019425">Oxygen generating scaffolds for enhancing engineering tissue survival.</a> Biomaterials. 30 (5), 757-762 (2009).</li>
<li>Decaris, M. L., Lee, C. I., Yoder, M. C., Tarantal, A. F., Leach, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+the+oxygen+microenvironment+on+the+proangiogenic+potential+of+human+endothelial+colony+forming+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Angiogenesis%22%5BJournal%5D)">Influence of the oxygen microenvironment on the proangiogenic potential of human endothelial colony forming cells.</a> Angiogenesis. 12, 303-311 (2009).</li>
<li>Chung, B. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+neural+stem+cell+growth+and+differentiation+in+a+gradient-generating+microfluidic+device%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Human neural stem cell growth and differentiation in a gradient-generating microfluidic device.</a> Lab Chip. 5 (4), 401-406 (2005).</li>
<li>Harris, A. L. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11902584">Hypoxia - a key regulatory factor in tumor growth.</a> Nat. Rev. Cancer. 2 (1), 38-47 (2002).</li>
<li>Allen, J. W., Bhatia, S. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+steady-state+oxygen+gradients+in+vitro%3A+application+to+liver+zonation%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnol.+Bioeng%22%5BJournal%5D)">Formation of steady-state oxygen gradients in vitro: application to liver zonation.</a> Biotechnol. Bioeng. 82 (3), 253-262 (2003).</li>
<li>McCord, A. M., Jamal, M., Shankavaram, U. T., Lang, F. F., Camphausen, K., Tofilon, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physiologic+oxygen+concentration+enhances+the+stem-like+properties+of+CD133%2B+human+glioblastoma+cells+in+vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Mol.+Cancer+Res%22%5BJournal%5D)">Physiologic oxygen concentration enhances the stem-like properties of CD133+ human glioblastoma cells in vitro.</a> Mol. Cancer Res. 7 (4), 489-497 (2009).</li>
<li>Lo, J. F., Sinkala, E., Eddington, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oxygen+gradients+for+open+well+cellular+cultures+via+microfluidic+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Oxygen gradients for open well cellular cultures via microfluidic substrates.</a> Lab Chip. 10 (18), 2394-2401 (2010).</li>
<li>Chang, C. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+polydimethylsiloxane-polycarbonate+hybrid+microfluidic+device+capable+of+generating+perpendicular+chemical+and+oxygen+gradients+for+cell+culture+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">A polydimethylsiloxane-polycarbonate hybrid microfluidic device capable of generating perpendicular chemical and oxygen gradients for cell culture studies.</a> Lab Chip. 14 (19), 3762-3772 (2014).</li>
<li>Chen, Y. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+oxygen+gradients+in+microfluidic+devices+for+cell+culture+using+spatially+confined+chemical+reactions%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Generation of oxygen gradients in microfluidic devices for cell culture using spatially confined chemical reactions.</a> Lab Chip. 11 (21), 3626-3633 (2011).</li>
<li>Peng, C. C., Liao, W. H., Chen, Y. H., Wu, C. Y., Tung, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+microfluidic+cell+culture+array+with+various+oxygen+tensions%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">A microfluidic cell culture array with various oxygen tensions.</a> Lab Chip. 13 (16), 3239-3245 (2013).</li>
<li>Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.matsci.28.1.153">Soft Lithography.</a> Ann. Rev. Mate. Sci. 28, 153-184 (1998).</li>
<li>Friend, J., Yeo, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+microfluidic+devices+using+polydimethylsiloxane%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane.</a> Biomicrofluidics. 4 (2), 026502(2010).</li>
<li>Cordelières, F. P. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCordeli%C3%A8res%2C+FP+%22Manual+Tracking%22">Manual Tracking</a>. , Institute Curie. Orsay, France. 
 <a target="_blank" href=" https://imagej.nih.gov/ij/plugins/track/Manual%20Tracking%20plugin.pdf"> https://imagej.nih.gov/ij/plugins/track/Manual%20Tracking%20plugin.pdf</a> (2005).</li>
<li>Asano, Y., Horn, E. <a target="_blank" href="http://ibidi.com/fileadmin/products/software/chemotaxis_tool/IN_XXXXX_CT_Tool_2_0.pdf">Instructions Chemotaxis and Migration Tool 2.0</a>. , ibidi GmbH. Martinsried, Germany. 
 <a target="_blank" href=" http://ibidi.com/fileadmin/products/software/chemotaxis_tool/IN_XXXXX_CT_Tool_2_0.pdf"> http://ibidi.com/fileadmin/products/software/chemotaxis_tool/IN_XXXXX_CT_Tool_2_0.pdf</a> (2013).</li>
<li>Chen, Y. H., Peng, C. C., Cheng, Y. J., Wu, J. G., Tung, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+nitric+oxide+gradients+in+microfluidic+devices+for+cell+culture+using+spatially+controlled+chemical+reactions%5BTitle%5D)+AND+%22Biomicrofluidics%22%5BJournal%5D)">Generation of nitric oxide gradients in microfluidic devices for cell culture using spatially controlled chemical reactions.</a> Biomicrofluidics. 7 (6), 064104(2013).</li>
</ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Die wichtigsten Schritte bei der Herstellung des mikrofluidischen PDMS-Geräts mit einer eingebetteten PC-Dünnschicht sind: (1) das Ausstoßen aller Blasen beim Einsetzen der PC-Schicht in das PDMS-Prepolymer bei der Herstellung der PDMS-PC-Deckschicht und (2) das Sicherstellen, dass alle PDMS-Härtungsprozesse auf einer gut ebenen horizontalen Ebene durchgeführt werden. Für Zellmigrationsexperimente sind die kritischsten Schritte: (1) Beseitigung der Blasen im mikrofluidischen Gerät, in den Schläuchen und in den Spritzenpumpen während der Experimente; (2) Sicherstellung, dass das mikrofluidische Gerät während der Bildgebung lebender Zellen für die Beobachtung der Zellmigration auf einer gut ebenen horizontalen Ebene platziert wird; und (3) das Gerät mit Feuchtigkeit versorgt zu halten, indem während der Experimente ddH2O in die Petrischale gegeben und sichergestellt wird, dass das Wasser nicht austrocknet.
Um das PDMS-PC-Hybrid-Mikrofluidikgerät erfolgreich ohne Delamination herzustellen, ist es entscheidend, alle Blasen während des Einlegens der PC-Folie zu entfernen. Die PC-Folie kann langsam aus einem Winkel (ca. 15 bis 30 Grad von der PDMS-Prepolymeroberfläche entfernt) eingelegt werden, um die Bildung von Blasen beim Einsetzen der PC-Folie in das PDMS-Prepolymer zu verhindern. Bei Bedarf kann das gesamte PDMS-Prepolymer mit der eingebetteten PC-Folie für 10 min in den Exsikkator gelegt werden, der mit der Vakuumpumpe verbunden ist, um die eingeschlossenen Blasen auszutreiben. Schwebt die PC-Folie nach dem Vakuumvorgang nach oben, kann die PC-Folie mit einer Pipettenspitze auf die ausgehärtete PDMS-Schicht gedrückt werden. Wiederholen Sie bei Bedarf den Vakuum- und Pressvorgang.
Für die Zellexperimente ist das Fehlen von Luftblasen entscheidend für die mikrofluidische Zellkultur. Achten Sie darauf, dass beim Herstellen von Verbindungen keine Luftblasen in den gesamten mikrofluidischen Aufbau (einschließlich Spritzenpumpen, Schläuche und das mikrofluidische Gerät) eingebracht werden. Wenn innerhalb des mikrofluidischen Aufbaus aufgrund der Abnahme der Gaslöslichkeit unter der erhöhten Temperatur der Experimente im Inkubator Luftblasen entstehen, können alle experimentellen Komponenten (einschließlich der Spritzen und Schläuche) und Reagenzien (einschließlich des Wachstumsmediums, Pyrogallol und NaOH) vorher (mindestens 20 Minuten vor der Verwendung) in den Inkubator gegeben werden, um die Temperaturschwankungen zu minimieren. Spritzenpumpen erzeugen häufig Wärme aus dem Betrieb der Motoren innerhalb der Pumpen. In der Regel ist es akzeptabel, Spritzenpumpen in Inkubatoren zu betreiben; Überprüfen Sie jedoch während der Experimente die Temperatur des Inkubators. Wenn die Temperatur während der Versuche ansteigt, müssen zusätzliche Kühlvorgänge durchgeführt werden. Es können mehrere praktikable Kühlmethoden angewendet werden, wie z. B. das Platzieren einer Schachtel mit Eis in den Inkubator, das Reduzieren der Anzahl der im Inkubator platzierten Spritzenpumpen oder die Verwendung eines Inkubators mit einem Zwangskühlsystem.
Das in dieser Arbeit entwickelte mikrofluidische Zellkulturgerät PDMS-PC ist in der Lage, zuverlässig senkrechte chemische und Sauerstoffgradienten für Zellmigrationsstudien zu erzeugen. Die Einschränkung des entwickelten Geräts besteht darin, dass die erzeugten Sauerstoffgradientenprofile vom Gleichgewicht zwischen dem Sauerstofffluss, der durch chemisches Reaktionsabfangen angetrieben wird, und der Sauerstoffdiffusion aus der Umgebungsatmosphäre durch das Gerät und in das Medium abhängen. Dadurch können die Sauerstoffgradientenprofile im Inneren des Gerätes nicht beliebig gesteuert werden. Im Vergleich zu bestehenden mikrofluidischen Zellkulturplattformen ist das in dieser Arbeit entwickelte Gerät das erste, das in der Lage ist, Zellkulturstudien unter Kombinationen von chemischen und Sauerstoffgradienten durchzuführen. Das gesamte Gerät kann mit dem herkömmlichen Softlithographie-Replik-Formverfahren hergestellt werden, ohne langwieriges Ausrichten und teure Instrumente. Die Gradienten können numerisch simuliert und experimentell charakterisiert werden, um physiologischere mikroumgebungsähnliche Bedingungen für in vitro Zellstudien zu schaffen. Durch die Verwendung eines räumlich begrenzten chemischen Reaktionsverfahrens mit einer PC-Folie als Gasdiffusionsbarriere kann der Sauerstoffgradient ohne den Einsatz von Druckgasflaschen und ausgeklügelten Gasdurchflussregelungseinheiten erzeugt werden. Darüber hinaus benötigt der Aufbau nur geringe Mengen an Chemikalien (weniger als 10 ml pro Tag), um die Sauerstoffgradienten aufrechtzuerhalten. Da die Sauerstoffspannungsregelung lokal um den mikrofluidischen Kanal herum begrenzt ist und die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung nicht stört, kann der gesamte Aufbau ohne zusätzliche Temperatur-, Feuchtigkeits- und CO2 -Kontrollinstrumente in einem herkömmlichen Zellkultur-Inkubator platziert werden. Dadurch hat das entwickelte Gerät großes Potenzial für den praktischen Einsatz in biologischen Laboren.
Aufgrund technischer Einschränkungen wurde das zelluläre Verhalten unter Sauerstoffspannungen in der vorhandenen Literatur bisher selten untersucht. Mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Geräts können Zellkulturen unter Sauerstoffgradienten auf einfache Weise durchgeführt werden, was Zellstudien unter Sauerstoffgradienten stark fördert. Darüber hinaus kann ein ähnliches Funktionsprinzip angewendet werden, um andere physiologisch relevante gasförmige Gradienten, wie Kohlendioxid und Stickstoffmonoxid, für in vitro Zellkulturstudien zu erzeugen17. Diese Fähigkeiten zeigen, dass das mikrofluidische Gerät PDMS-PC ein großes Potenzial für verschiedene Zellkulturanwendungen aufweist, einschließlich Wirkstofftests und Zellproliferations- und Migrationsassays, um In-vitro-Zellkulturstudien voranzutreiben.

Die räumliche Verteilung löslicher Faktoren und der Sauerstoffspannung kann eine Reihe wichtiger zellulärer Funktionen in vivo regulieren1,2,3,4. Um ihre Wirkung auf Zellen besser untersuchen zu können, ist eine in vitro Zellkulturplattform, die in der Lage ist, stabile chemische und Sauerstoffgradienten zu erzeugen, sehr wünschenswert. Verschiedene lösliche Faktoren spielen eine Schlüsselrolle bei biologischen Aktivitäten und beeinflussen das zelluläre Verhalten. In jüngster Zeit wurden aufgrund der Weiterentwicklung mikrofluidischer Techniken eine Reihe von mikrofluidischen Geräten entwickelt, die in der Lage sind, stabile chemische Gradienten zu erzeugen, um die Zellmigration zu untersuchen5. Darüber hinaus haben mehrere Studien auch gezeigt, dass die Sauerstoffspannung für in vitro Zellkulturen notwendig ist6,7,8. Die Regelung der Sauerstoffspannung für die Zellkultur beruht jedoch hauptsächlich auf der direkten chemischen Zugabe für die Sauerstoffabscheidung oder Zellinkubatoren mit Druckgasflaschen. Die direkte chemische Zugabe verändert das Zellkulturmedium und beeinflusst die zellulären Reaktionen. Inkubatoren zur Sauerstoffkontrolle erfordern ein spezielles Inkubatordesign, eine präzise Gasflussregelung und ein großes Volumen an Stickstoffgas, um Hypoxiebedingungen zu erreichen. Darüber hinaus ist es unmöglich, die räumliche Verteilung von Sauerstoff mit diesem Aufbau zu kontrollieren, was die Untersuchung des zellulären Verhaltens unter verschiedenen Sauerstoffspannungen und -gradienten verzögert. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde eine Reihe von mikrofluidischen Geräten entwickelt, um Sauerstoffgradienten für Zellkulturanwendungen zu erzeugen9. Die meisten von ihnen werden jedoch mit Druckgasen betrieben, die zu Verdampfungs- und Blasenbildungsproblemen führen können. Daher erfordern sie oft eine ausgeklügelte Instrumentierung und sind für Langzeit-Zellkulturstudien möglicherweise nicht zuverlässig.
Um die Herausforderungen zu meistern und die Wechselwirkungen zwischen chemischen und Sauerstoffgradienten für die Zellmigration weiter zu untersuchen, haben wir ein mikrofluidisches Zellkulturgerät aus Polydimethylsiloxan (PDMS) mit einer eingebetteten Dünnschicht aus Polycarbonat (PC) entwickelt10. Das Gerät besteht aus zwei mikrofluidischen Kanalschichten, die durch eine PDMS-Membran getrennt sind. Die oberste Schicht ist eine PDMS-PC-Schicht zur Erzeugung von Sauerstoffgradienten; Die untere Schicht besteht aus PDMS für die Erzeugung chemischer Gradienten und die Zellkultur. Das Gerät kann gleichzeitig senkrechte Chemikalien- und Sauerstoffgradienten erzeugen, ohne Gasflaschen und ausgeklügelte Durchflussregelungssysteme zu verwenden. In dem Gerät bietet PDMS eine hohe optische Transparenz, Gasdurchlässigkeit und biologische Verträglichkeit für Zellkultur und Bildgebung. Die eingebettete PC-Folie dient als Gasdiffusionsbarriere für eine effiziente Regelung der Sauerstoffspannung. Im mikrofluidischen Kanal haben wir eine Reihe von serpentinförmigen Kanälen verwendet, um chemische Gradienten zu erzeugen. Das Design wurde aufgrund seiner Zuverlässigkeit und seines einfachen Versuchsaufbaus in großem Umfang zur Erzeugung chemischer Gradienten in mikrofluidischen Geräten für verschiedene Anwendungen genutzt. Darüber hinaus können die chemischen Gradientenprofile entworfen werden, indem die Kanalgeometrien zuvor mit numerischer Simulation variiert werden. Für die Erzeugung von Sauerstoffgradienten haben wir die Vorteile der räumlich begrenzten chemischen Reaktionsmethode genutzt, die zuvor in unserem Labor entwickelt wurde10,11,12. Der Sauerstoff kann aus den dafür vorgesehenen Bereichen abgefangen werden, ohne dass Stickstoff gespült wird. Für den praktischen Einsatz in biologischen Laboren ist der gesamte Versuchsaufbau mit herkömmlichen Zellkultur-Inkubatoren kompatibel. Durch die Integration dieser Methoden können wir gleichzeitig stabile chemische und Sauerstoffgradienten ohne große Gasflaschen und ausgeklügelte Instrumente erzeugen, um die Zellmigration zu untersuchen.

<table><tbody><tr><td>1 ml Spritze</td><td>Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ</td><td>302104</td><td></td></tr><tr><td>1,5 ml Mikrozentrifugenröhrchen</td><td>Smartgene</td><td>6011-000</td><td></td></tr><tr><td>10 ml Spritze</td><td>Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ</td><td>302151</td><td></td></tr><tr><td>15 ml Zentrifugenröhrchen</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>Falcon 352096</td><td></td></tr><tr><td>150 mm Petrischale</td><td>Dogger Science</td><td>DP-43151</td><td></td></tr><tr><td>1H,1H,2H,2H-Perfluoroctyltrichlorsilan</td><td>Alfa Aesar, Ward Hill, MA</td><td>78560-45-9</td><td></td></tr><tr><td>3 ml Spritze</td><td>Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ</td><td>302118</td><td></td></tr><tr><td>4'' Silizium Dummy Wafer</td><td>Wollemi Technical, Taoyuan, Taiwan</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td>ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan</td><td>AH3102-000000-72EC</td><td></td></tr><tr><td>AG Double Expose Mask Aligner</td><td>M& R Nano Technology, Taoyuan, Taiwan</td><td>AG500-4D-D-V-S-H</td><td></td></tr><tr><td>Antibiotisch-antimyotische Lösung</td><td>ThermoFisher Scientific, Waltham, MA</td><td>GIBCO 15240-062</td><td></td></tr><tr><td>Biopsie-Stanze</td><td>Miltex, Plainsboro, NJ</td><td>33-31</td><td></td></tr><tr><td>Stumpfe Nadel</td><td>JensenGlobal, Santa Barbara, CA</td><td>Gauge 14</td><td></td></tr><tr><td>Bright-Line-Hämozytometer</td><td>Sigma-Aldrich, St. Louis, MO</td><td>Z359629</td><td>für die Zellzählung</td></tr><tr><td>Buffered Oxide Etch</td><td>ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan</td><td>PH3101-000000-72EC</td><td></td></tr><tr><td>Zellkultur-Inkubator</td><td>Caron, Marietta, OH</td><td>6016-1</td><td></td></tr><tr><td>COMSOL Multiphysics</td><td>COMSOL, Burlington, MA</td><td>Ver. 4.3b</td><td>für die numerische Simulation chemischer Gradienten im Gerät</td></tr><tr><td>D-PBS</td><td>ThermoFisher Scientific, Waltham, MA</td><td>GIBCO 14190-144</td><td></td></tr><tr><td>Exsikantor</td><td>A-VAC Industries, Anaheim, CA</td><td>35.10001.01</td><td></td></tr><tr><td>DMEM/F12+GlutaMax-1</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>GIBCO 10565-018</td><td></td></tr><tr><td>Fötales Rinderserum</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>GIBCO 10082</td><td></td></tr><tr><td>Fibronektin aus menschlichem Plasma</td><td>Sigma-Aldrich, St. Louis, MO</td><td>F2006</td><td></td></tr><tr><td>Invertiert Fluoreszenzmikroskop</td><td>Leica Microsystems, Wetzlar, Deutschland</td><td>DMIL LED</td><td></td></tr><tr><td>Isopropylalkohol (IPA)</td><td>ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan</td><td>CMOS112-00000-72EC</td><td></td></tr><tr><td>JuLi Smart Fluorescence Cell Imager</td><td>NanoEnTek, Seoul, Korea</td><td>DBJ01B</td><td></td></tr><tr><td>Mechanischer Kongressofen</td><td>ThermoFisher Scientific, Waltham, MA</td><td>Lindberg Blue M MO1450C</td><td></td></tr><tr><td>NaOH</td><td>Showa Chemical Industry, Tokio, Japan</td><td>1943-0150</td><td></td></tr><tr><td>Plasmabehandlungssystem</td><td>Nordson MARCH, Concord CA</td><td>PX-250</td><td>für die Oberflächenbehandlung von Sauerstoffplasma-Polycarbonat</td></tr><tr><td>(PC)-Folie</td><td>Quantum Beam Technologies, Tainan Taiwan</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Polydimehtylsiloxan (PDMS)</td><td>Dow Corning, Midland, MI</td><td>SYLGARD 184</td><td></td></tr><tr><td>Pyrogallol</td><td>Alfa Aesar, Ward Hill, MA</td><td>A13405</td><td></td></tr><tr><td>Abnehmbarer Klebekitt</td><td>3M</td><td>860</td><td></td></tr><tr><td>Sorvall Legend Mach 1.6R Tischzentrifuge</td><td>ThermoFisher Scientific, Waltham, MA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>ELS Technology, Hsinchu, Taiwan</td><td>ELS 306MA</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 2050</td><td>MicroChem, Westborough, MA</td><td>SU-8 2050</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Entwickler</td><td>MicroChem, Westborough, MA</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>Chirurgische Klinge</td><td>Feather, Osaka, Japan</td><td>5005093</td><td>zum PDMS-Schneiden</td></tr><tr><td>Spritzenpumpe</td><td>Chemyx, Houston, TX</td><td>Fusion 400</td><td></td></tr><tr><td>T75 Zellkulturflasche</td><td>ThermoFisher Scientific, Waltham, MA</td><td>Nunc 156367</td><td></td></tr><tr><td>Trypanblaue Lösung, 0,4</td>% <td>ThermoFisher Scientific, Waltham, MA</td><td>15250061</td><td></td></tr><tr><td>Trypsin-EDTA</td><td>ThermoFisher Scientific, Waltham, MA</td><td>GIBCO 25200</td><td></td></tr><tr><td>Tygon PTFE-Schlauch</td><td>Saint-Gobain Performance Plastics, Akron, OH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tygon Schlauch</td><td>Saint-Gobain Performance Plastics, Akron, OH</td><td>621</td><td></td></tr></tbody></table>

polydimethylsiloxanhaltigen polycarbonat mikrofluidiksysteme für zellmigrationsstudien unter perpendicular chemische und sauerstoff gradients

Polydimethylsiloxane-polycarbonate Microfluidic Devices for Cell Migration Studies Under Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients

Dieser Artikel berichtet über ein mikrofluidisches Gerät aus Polydimethylsiloxan (PDMS) mit einer eingebetteten Polycarbonat (PC) Dünnschicht, um die Zellmigration unter Kombinationen von chemischen und Sauerstoffgradienten zu untersuchen. Sowohl chemische als auch Sauerstoffgradienten können die Zellmigration in vivo stark beeinflussen; Aufgrund technischer Einschränkungen wurde jedoch nur sehr wenig Forschung durchgeführt, um ihre Auswirkungen in vitro zu untersuchen. Das in dieser Forschung entwickelte Gerät nutzt eine Reihe von serpentinförmigen Kanälen, um die gewünschten chemischen Gradienten zu erzeugen, und nutzt ein räumlich begrenztes chemisches Reaktionsverfahren zur Erzeugung von Sauerstoffgradienten. Die Richtungen der chemischen und Sauerstoffgradienten sind senkrecht zueinander, um eine einfache Interpretation der Migrationsergebnisse zu ermöglichen. Um die Sauerstoffgradienten effizient und mit minimalem Chemikalienverbrauch zu erzeugen, wird die eingebettete PC-Dünnschicht als Gasdiffusionsbarriere eingesetzt. Das entwickelte mikrofluidische Gerät kann durch Spritzenpumpen betätigt und während der Zellmigrationsexperimente in einen herkömmlichen Zellinkubator eingesetzt werden, um die Einrichtung zu vereinfachen und die Zellkulturbedingungen zu optimieren. In Zellexperimenten haben wir das Gerät verwendet, um die Migration von adenokarzinomischen humanen alveolären Basalepithelzellen, A549, unter Kombinationen von Chemokin (Stromal cell-derived factor, SDF-1α) und Sauerstoffgradienten zu untersuchen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Gerät stabil senkrechte Chemokin- und Sauerstoffgradienten erzeugen kann und zellverträglich ist. Die Ergebnisse der Migrationsstudie deuten darauf hin, dass Sauerstoffgradienten eine wesentliche Rolle bei der Steuerung der Zellmigration spielen können und dass das zelluläre Verhalten unter Kombinationen von Gradienten nicht von denen unter einzelnen Gradienten vorhergesagt werden kann. Das Gerät bietet Forschern ein leistungsstarkes und praktisches Werkzeug, um Wechselwirkungen zwischen chemischen und Sauerstoffgradienten in Zellkulturen zu untersuchen, was bessere Zellmigrationsstudien in eher in vivo-ähnlichen Mikroumgebungen fördern kann.

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).
<img alt="Mikrofluidik-Chip-Diagramm mit chemischen, Sauerstoff-Gradienten für die Zellkultur; PDMS-PC-Schichtaufbau." src="/files/ftp_upload/55292/55292fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Abbildung 2"> 
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. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55292/55292fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Ansicht dieser Abbildung aufzurufen.</a>
<img alt="Diffusionsdiagramm von Fluorescein; COMSOL im Vergleich zu Experiment, mikrofluidische Kammeranordnung, Konzentrationsgradient." src="/files/ftp_upload/55292/55292fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Abbildung 2"> 
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. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55292/55292fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Darstellung dieser Abbildung anzusehen.</a>
<img alt="Sauerstoffspannung gegenüber Position Diagramm; Flussdiagramm der Zellkulturkammer; experimentelle Charakterisierung" src="/files/ftp_upload/55292/55292fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Abbildung 3"> 
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.
<img alt="Aufbau der Zellkulturinkubation mit Spritzenpumpen, mikrofluidischem Gerät und Live-Cell-Imaging-Mikroskop" src="/files/ftp_upload/55292/55292fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Abbildung 4"> 
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. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55292/55292fig4large.jpg" target="_blank">Klicken Sie bitte hier, um eine vergrößerte Ansicht dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Zellmigration unter Gradienten; Diagramm zeigt Mikrosäulenaufbau und Bewegungsanalyse mit Grafiken." src="/files/ftp_upload/55292/55292fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Abbildung 5"> 
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 &lt; 0,01) sind durch unterschiedliche Buchstaben (a und b) gekennzeichnet. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55292/55292fig5large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine vergrößerte Ansicht dieser Abbildung einzusehen.</a>

Die Kontrolle von chemischen und Sauerstoffgradienten ist essentiell für Zellkulturen. In diesem Artikel wird über ein mikrofluidisches Gerät aus Polydimethylsiloxan-Polycarbonat (PDMS-PC) berichtet, das in der Lage ist, zuverlässig Kombinationen von chemischen und Sauerstoffgradienten für Zellmigrationsstudien zu erzeugen, die in biologischen Labors ohne ausgefeilte Instrumente praktisch eingesetzt werden können.

Polydimethylsiloxanhaltigen Polycarbonat Mikrofluidiksysteme für Zellmigrationsstudien unter Perpendicular Chemische und Sauerstoff Gradients

This paper reports a microfluidic device made of polydimethylsiloxane (PDMS) with an embedded polycarbonate (PC) thin film to study cell migration under ...

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, eine Polydimethylsiloxan-Polycarbonat-Mikrofluidikvorrichtung zur Untersuchung der Migration von Säugetierzellen unter verschiedenen Kombinationen senkrechter chemischer und Sauerstoffgradienten einzurichten. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der Forschung zur Migration von Säugetierzellen zu beantworten, einschließlich der Auswirkungen dieser Gradienten auf die Migration verschiedener Zelltypen oder Zellen mit anderen Genen. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass der gesamte experimentelle Aufbau in einem herkömmlichen Inkubator unter optimalen Zellkulturbedingungen durchgeführt werden kann, ohne aufwändige Vorbereitungen und sperrige Instrumente zu benötigen.Die Implikationen dieser Technik reichen bis zur Diagnose der Metastasierungsfähigkeit von Krebszellen, da die Zellmotilität und die verschiedenen physiologisch relevanten Gradienten mithilfe der mikrofluidischen Vorrichtung charakterisiert werden können. Diese Methode kann Einblicke in die Migration von Säugetierzellen liefern. Sie kann außerdem auf andere Zelluntersuchungen angewandt werden, beispielsweise auf zellbasierte In-vitro-Testungen von Wirkstoffkombinationen hinsichtlich Wirkstoffkonzentrationen und Sauerstoffpartialdrücken.Übertragen Sie zwei Gramm Polydimethylsiloxan, oder PDMS-Präpolymer, auf die Form mit den Kanalmustern für die obere fluidischen Schicht, um eine dünne PDMS-Schicht zu erzeugen. Anschließend stellen Sie die Form für 60 Minuten in eine Desiccator-Anordnung, um das PDMS zu entgasen. Nach der Entgasung belassen Sie die Form über Nacht in einem Ofen bei 60 Grad Celsius, um das PDMS auszuhärten.Stellen Sie sicher, dass sich die Form in einer horizontalen Ebene befindet. Nachdem die Form auf Raumtemperatur abgekühlt ist, gießen Sie weitere 13 Gramm PDMS-Präpolymer auf die Form und entgasen Sie das PDMS anschließend 60 Minuten lang in der Desiccator-Anordnung. Bringen Sie langsam eine einen Millimeter dicke Polycarbonatfolie (PC-Folie) als Gassperrschicht in die frische PDMS-Schicht ein.Entfernen Sie eventuell vorhandene Blasen. Anschließend stellen Sie die Form über Nacht in den Ofen bei 60 Grad Celsius. Stellen Sie sicher, dass die Form in einer horizontalen Ebene steht.Nachdem das gehärtete PDMS auf Raumtemperatur abgekühlt ist, schneiden Sie das Gerät mit einem Skalpell auf eine Fläche von etwa 5,5 mal fünf Quadratzentimetern zu, die alle Kanalmuster abdecken kann. Anschließend lösen Sie das PDMS-Gerät vorsichtig von der Form ab. Danach stanzen Sie mit einer zweimillimeterdurchmessigen Biopsiepunch-Lochstanzvorrichtung Öffnungen für Zulauf- und Ablauföffnungen aus.Bewahren Sie die hergestellte obere PDMS-PC-Schicht zur späteren Montage vor Umgebungsstaub geschützt auf. Um das Gerät zusammenzubauen, legen Sie zunächst die hergestellte obere PDMS-PC-Schicht und das Wafer mit der spin-beschichteten PDMS-Membran in eine Sauerstoff-Plasma-Oberflächenbehandlungsmaschine, wobei die Verbindungsoberflächen nach oben zeigen. Behandeln Sie die PDMS-Oberflächen 40 Sekunden lang mit 90 Watt Sauerstoff-Plasma.Verbinden Sie die Deckschicht unmittelbar nach der Oberflächenbehandlung mit Sauerstoff-Plasma mit der PDMS-Membran. Legen Sie ein Gewicht auf die verbundenen Schichten und stellen Sie diese über Nacht in einen Ofen bei 60 Grad Celsius, um die Bindung zu fördern. Sobald die verbundenen Schichten auf Raumtemperatur abgekühlt sind, schneiden Sie die mit der Deckschicht verbundene Membran mit einem Skalpell auf eine Fläche von etwa 5,5 mal fünf Quadratzentimetern zu. Lösen Sie die verbundene Struktur von der Siliziumwafer ab und stanzen Sie mit einem zweimillimeterdurchmessigen Biopsiestanzer Löcher an den Einlässen und Auslässen des chemischen Gradientenkanals aus. Anschließend platzieren Sie die mit der Membran verbundene Deckschicht und die hergestellte PDMS-Basisschicht in der Sauerstoff-Plasma-Oberflächenbehandlungsmaschine, wobei die Verbindungsoberflächen nach oben zeigen. Um die PDMS-Oberflächen zu aktivieren, verwenden Sie das Plasma bei 90 Watt für 40 Sekunden.Verbinden Sie die oberen und unteren Schichten unmittelbar nach der Oberflächenbehandlung miteinander. Stellen Sie ein Gewicht auf das gesamte verbundene Bauteil und lassen Sie es über Nacht in einem Ofen bei 60 Grad Celsius. Nehmen Sie das vollständig hergestellte Bauteil am nächsten Tag aus dem Ofen und kühlen Sie es auf Raumtemperatur ab.Beginnen Sie den mikrofluidischen Zell-Migrationsassay mit der Vorbereitung der Zellen im Gerät, wie im Textprotokoll beschrieben. Am zweiten Tag saugen Sie das Medium von den seit Tag null kultivierten Zellen ab und waschen die Zellen zweimal mit je fünf Milliliter DPBS. Saugen Sie das DPBS ab und geben Sie zwei Milliliter Trypsin-EDTA hinzu. Inkubieren Sie die Zellen dann fünf Minuten lang im Inkubator, um die Zellen von der Flaschenoberfläche zu lösen.Nachdem die Zellen gel&ouml;st und in der L&ouml;sung suspendiert sind, f&uuml;gen Sie acht Milliliter serumfreies Medium dem Kolben hinzu. &Uuml;berf&uuml;hren Sie alle Fl&uuml;ssigkeiten in ein 15-Milliliter-Konizglas und zentrifugieren Sie f&uuml;nf Minuten bei Raumtemperatur mit 140&times;g. Nach der Zentrifugation saugen Sie den &Uuml;berstand ab und geben eine geeignete Menge serumfreies Medium zu, um eine endg&uuml;ltige Zelldichte von einer Million Zellen pro Milliliter zu erreichen.Entnehmen Sie dann das am ersten Tag gemäß der Textanleitung vorbereitete mikrofluidische Gerät. Geben Sie mit einer Ein-Milliliter-Spritze und einer stumpfen 14-Gauge-Nadel das serumfreie Medium durch den Auslass des chemischen Gradientenkanals, bis das Medium an beiden Nadeln an den Eingängen austritt. Anschließend injizieren Sie 200 Mikroliter der Zellsuspension über den Auslass des chemischen Gradientenkanals.Beobachten Sie die Zellkulturkammer im Gerät unter einem Mikroskop, um zu bestätigen, dass die Zellen in den mikrofluidischen Kanal eingeführt wurden. Anschließend stellen Sie das Gerät in einen feuchten Behälter und lagern es fünf Stunden lang in einem Zellkultur-Inkubator, um die Adhäsion der Zellen an der Geräteoberfläche zu fördern. Bereiten Sie in der Zwischenzeit die chemische Substanz in der gewünschten Konzentration in serumfreiem Medium vor.Ziehen Sie das serumfreie Medium mit und ohne die Chemikalie in zwei separate Dreimilliliter-Spritzen, die mit der Hochreinheits-Schlauchleitung verbunden sind. Bereiten Sie anschließend die Spritzen auf einer Spritzenpumpe mit einer Flussrate von einem Mikroliter pro Minute für den späteren Gebrauch vor. Danach stellen Sie 15 Milliliter einer einmolaren Natriumhydroxidlösung und 15 Milliliter einer Pyrogallollösung mit 200 Milligramm pro Milliliter her.Ziehen Sie die Natronlauge-Lösung in eine 15-Milliliter-Spritze, die mit einem hochreinen PFTE-Schlauch verbunden ist, und ziehen Sie die Pyrogallol-Lösung in eine 15-Milliliter-Spritze, die mit einem hochreinen Schlauch verbunden ist. Stellen Sie die Spritzen an einer Spritzenpumpe mit einer Fließgeschwindigkeit von fünf Mikrolitern pro Minute für den späteren Gebrauch bereit. Nach der fünf Stunden dauernden Inkubation nehmen Sie das gesamte Gerät heraus und stellen es auf eine Petrischale mit einem Durchmesser von 15 Zentimetern.Befestigen Sie das Gerät mit Haftknetmasse in der Petrischale und bringen Sie die Petrischale anschließend unter einem Live-Cell-Imaging-Mikroskop in einem Inkubator an. Schließen Sie die Schläuche der Spritzen an die Zuleitungen des chemischen Gradientenkanals an, um den chemischen Gradienten zu erzeugen. Anschließend verbinden Sie den Auslass mit dem Schlauch, der zu einem Abfallreservoir führt.Schalten Sie die Spritzenpumpe mit den Spritzen zur Erzeugung des chemischen Gradienten ein. Anschließend verbinden Sie die Hochreinheitsschläuche von den Spritzen, die Natriumchlorid und Pyrogallol enthalten, mit den Einlässen des Sauerstoffgradientkanals. Schließen Sie den Schlauch an den Auslass an, um das Abfallprodukt zu sammeln, und schalten Sie die Spritzenpumpe mit den Spritzen zur Erzeugung des Sauerstoffgradienten ein.Fügen Sie etwa 15 Milliliter doppelt destilliertes Wasser in die Petrischale hinzu, um das Gerät feucht zu halten. Richten Sie dann das Live-Cell-Imaging-Mikroskop für die zeitraffende Bildaufnahme ein und nehmen Sie alle 15 Minuten ein Bild auf. Führen Sie die Datensammlung und -analyse sowie die Charakterisierung der Gradienten wie im Textprotokoll beschrieben durch.Hier gezeigte repräsentative Ergebnisse chemischer Gradienten, die innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung zur Zellmigration erzeugt wurden. Das Ergebnis der numerischen Simulation stimmt gut mit der experimentellen Charakterisierung unter Verwendung einer Fluoresceinlösung als chemische Substanz überein. Auch die Gradienten anderer Chemikalien, wie beispielsweise des Chemokins SDF-1 alpha, können mithilfe der Simulation bereits im Voraus abgeschätzt werden.Sauerstoffgradienten, die innerhalb des Geräts erzeugt werden, können experimentell mittels sauerstoffempfindlichem Fluoreszenzfarbstoff charakterisiert werden. Üblicherweise können Sauerstoffgradienten von 1 % am Eingang bis 16 % am Ausgang stabil innerhalb des Geräts etabliert werden. Hier gezeigt sind typische Zeitrafferaufnahmen, die während der Experimente mit einem Live-Cell-Imaging-Mikroskop aufgenommen wurden.Nach der Bildanalyse können die Migrationsbahnen von A549-Zellen und ihre durchschnittlichen Bewegungen berechnet werden. Ohne Gradienten zeigen die Zellen eine zufällige Migration, und die durchschnittliche Bewegung liegt nahe bei null. Bei alleinigem Vorhandensein eines SDF-1-alpha-Chemokin-Gradienten zeigen die Zellen chemotaktisches Verhalten und wandern, wie erwartet, in Richtung des hohen Chemokin-Gradienten.Bei alleinigem Sauerstoffgradient bewegen sich die Zellen in Richtung des niedrigen Sauerstoffgehalts, was ein aerotaktisches Verhalten zeigt, das für Säugetierzellen bisher wenig untersucht wurde. Interessanterweise bewegen sich die Zellen bei gleichzeitiger Anwesenheit von Chemokin- und Sauerstoffgradienten ebenfalls in Richtung des niedrigen Sauerstoffgehalts, was darauf hindeutet, dass der Sauerstoffgradient dominierende Effekte hat. Diese Beobachtung bedarf weiterer Untersuchungen.Während des Durchführens dieses Verfahrens ist es wichtig, darauf zu achten, das Gerät während der Herstellung sorgfältig zu nivellieren und Luftblasen in der mikrofluidischen Vorrichtung während des Zell-Migrations-Experiments zu vermeiden. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine PDMS-PC-mikrofluidische Vorrichtung herstellt und die Experimente aufbaut, um die Migration von Säugetierzellen unter Kombinationen von chemischen und Sauerstoffkonzentrationsgradienten zu untersuchen.

polydimethylsiloxane-polycarbonate-microfluidic-devices-for-cell

Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

Wir beschreiben ein Protokoll für die Herstellung von mikrofluidischen Bauteilen, die Zelle zu erfassen und Kultur ermöglichen können. In diesem Ansatz gemusterten Mikrostrukturen wie Rillen in mikrofluidischen Kanälen werden verwendet, um Scherarmut Regionen, in denen Zellen andocken können erstellen.

Einer mikrofluidischen Vorrichtung mit Groove Patterns für ein Studium Cellular Behavior

Wir beschreiben ein Protokoll für die Mikrofabrikation der Gradienten-erzeugenden Mikrofluidik-Gerät, das räumliche und zeitliche Verläufe in klar definierten Mikroumgebung erzeugen können. Bei diesem Ansatz kann der Gradient-Erzeugung mikrofluidischen Gerät verwendet, um gerichtete Wanderung, Embryogenese, Wundheilung und Krebs Metastasen zu untersuchen.

Ein Gradient-Erzeugung Mikrofluidikvorrichtung für Zellbiologie

Dieses Protokoll beschreibt die Entwicklung einer mikrofluidischen Vorrichtung zur Untersuchung der bakteriellen Chemotaxis in stabilen Konzentrationsgradienten chemoeffectors.

Einer mikrofluidischen Vorrichtung zur Quantifizierung von bakteriellen Chemotaxis in Stable Konzentrationsgradienten

Eine Abschottung mikrofluidischen Vorrichtung zur Untersuchung von Krebsstammzellen Migration beschrieben. Diese neuartige Plattform schafft eine tragfähige zellulären Mikroumgebung und ermöglicht mikroskopische Visualisierung der lebenden Zelle Fortbewegung. Höchst beweglich Krebszellen isoliert sind, um molekularen Mechanismen von aggressiven Infiltration, was möglicherweise zur wirksameren zukünftige Therapien.

Evaluation of Cancer Stem Cell Migration Mit Abschottung Mikrofluidiksysteme und Live Cell Imaging

Ein Verfahren zur Montage von Klebstoff und löslichen Gradienten in einer Mikroskopie Kammer für lebende Zellmigration Studien beschrieben. Die gebaute Umwelt verbindet Antifouling Oberflächen und Kleber Tracks mit Lösung Steigungen und ermöglicht somit ein, um die relative Bedeutung von Leitlinien Hinweise zu bestimmen.

Erstellen Adhesive und löslichen Farbverläufe for Imaging Cell Migration mit Fluoreszenz-Mikroskopie

Ein quantitatives Verfahren zur spontanen Migration von Zellen in einem eindimensionalen beschränkt Mikro studieren beschrieben. Dieses Verfahren nutzt den Vorteil der mikrogefertigten Kanälen und kann verwendet werden, um die Migration der Vielzahl von Zellen unter verschiedenen Bedingungen in einzelnen Experimenten zu untersuchen.

Studium der Zellmigration in Microfabricated Kanäle

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.

Entwerfen Mikrofluidiksysteme für ein Studium zellulären Reaktionen Unter Einzel- oder Coexisting Chemie / Elektro / Schubspannung Stimuli

Dieses Protokoll Informationen eine anpassbare Methode Zellmigration in Reaktion auf die chemischen Lockstoffe zu messen, die auch die Diffusionsgeschwindigkeit eines Arzneimittels verwendet werden kann, aus einer Polymermatrix zu bestimmen.

Eine Anpassbare Kammer zur Messung der Zellmigration

Kollektive Zellmigration in Entwicklung, Wundheilung und Krebsmetastasierung wird oft von den Gradienten von Wachstumsfaktoren oder Signalmolekülen geleitet. Hier wird ein experimentelles System beschrieben, das Traktionsmikroskopie mit einem mikrofluidischen System kombiniert und demonstriert, wie die Mechanik der kollektiven Migration unter biochemischen Gradienten quantifiziert werden kann.

Traktionsmikroskopie integriert mit Mikrofluidik für chemotaktische kollektive Migration

In diesem Protokoll wird ein biomimetischer Mikrofluid-Assay, der eine physiologisch relevante mikrovaskuläre Umgebung reproduzieren und die gesamte Leukozyten-Adhäsions-/Migrationskaskade reproduzieren kann, eingesetzt, um Leukozyten-Endothelzell-Interaktionen bei entzündlichen Erkrankungen zu untersuchen.

Ein mikrophysiologisches System zur Untersuchung der Leukozyten-Endothelzell-Interaktion während einer Entzündung

Erfahren Sie, wie ein PDMS-PC-Mikrofluidiksystem die Zellmigration unter chemischen und Sauerstoffgradienten untersucht. Diese Methode ermöglicht Studien zur Krebsmetastase und Arzneimittelprüfung in vitro.

Polydimethylsiloxanhaltigen Polycarbonat Mikrofluidiksysteme für Zellmigrationsstudien unter Perpendicular Chemische und Sauerstoff Gradients (Video) | JoVE Journal

Polydimethylsiloxanhaltigen Polycarbonat Mikrofluidiksysteme für Zellmigrationsstudien unter Perpendicular Chemische und Sauerstoff Gradients

Weitere Videos entdecken