El diseño de dispositivos de microfluidos para el estudio de las respuestas celulares en la sección individual o Coexistencia Química / eléctrica / Shear Stress Los estímulos
13 de agosto de 2016
Los dispositivos microfabricados integrados con componentes fluídicos proporcionan una plataforma in vitro para estudios celulares que imitan el microambiente in vivo. Desarrollamos chips microfluídicos basados en polimetilmetacrilato para estudiar las respuestas celulares bajo estímulos de estrés químico/eléctrico/cizallante únicos o coexistentes.
El objetivo general de este procedimiento es diseñar y fabricar dispositivos microfluídicos para observar cómo las células responden a los estímulos ambientales. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en la biología celular y la ingeniería biomédica. Por ejemplo, cómo las células responden ante diferentes estímulos ambientales, incluidos los productos químicos, las tensiones de cizallamiento y el campo eléctrico. La principal ventaja de esta técnica es que los tubos son fáciles de fabricar y ensamblar. Y estos dispositivos microfludúdicos pueden hacer la condición in vivo con altas capacidades excelentes. Tzu-Yuan Chou, un estudiante de pregrado de mi laboratorio, y Hsien-San Hou, un miembro del personal de posta del laboratorio del Dr. Julian Chung, demostrarán el procedimiento. Para comenzar, encienda el trazador láser de dióxido de carbono y verifique su conexión a la computadora. A continuación, cargue un patrón de árbol de Navidad predibujado, como uno de los patrones que se muestran aquí en el escriba. A continuación, coloque una hoja de PMMA o un trozo de cinta adhesiva de doble cara encima de la platina del trazador. Ajuste el enfoque del láser de dióxido de carbono utilizando la barra de calibración y el láser de neón de helio visible. A continuación, traza el patrón sobre el sustrato. Cuando termine, recoja el sustrato del patrón, retire las piezas no deseadas y use un chorro de nitrógeno para limpiar la superficie de cualquier residuo restante. Repita este proceso para cada componente del chip. Ensamble el chip microfluídico de tensión de cizallamiento químico. Para lograr esto, fije tres hojas de las láminas de PMMA con patrón de tensión de cizallamiento químico utilizando dos piezas de cinta adhesiva de doble cara rayada. Use superpegamento para unir adaptadores acrílicos con roscas de tornillo en el medio a la capa superior de PMMA del chip alineando las roscas de los tornillos y los orificios. Estos adaptadores servirán como entradas medias, salidas y conectores de puente de sal. A continuación, añada un trozo más de la cinta adhesiva de doble cara de 07 mm de grosor a la parte inferior del chip y fije el chip a una placa de Petri de 10 cm de diámetro. Una vez ensamblado, coloque el chip en una cámara de vacío durante toda la noche. Ahora ensamble el chip de campo químico-eléctrico. Fije la hoja de PMMA trazada para el chip de campo químico-eléctrico con cinta adhesiva de doble cara a una placa de Petri de 10 cm de diámetro. Antes de usar los chips, expóngalos a los rayos UV durante 30 minutos para esterilizarlos. A continuación, conecte las entradas de las patatas fritas a jeringas llenas de PBS de 3 ml mediante tubos de plástico y tuercas apretadas con los dedos. De la misma manera, conecte los tomacorrientes a un tubo de desagüe. Presione lentamente el émbolo de la jeringa para cebar los canales fluídicos con PBS. Empuje la jeringa hacia adelante y hacia atrás para eliminar las burbujas, luego coloque las papas fritas dentro de una incubadora durante la noche. Para configurar los chips de campo químico-eléctrico, rellene el 3% de agua en las tuercas tubulares para configurar los puentes de sal. A continuación, coloque los electrodos de cloruro de plata en las tuercas tubulares. Cultive células CL1-5 de cáncer de pulmón en D-MEM suplementadas con 10% de FBS hasta que alcancen el 90% de confluencia. A continuación, aspire el medio. Lave las celdas una vez con PBS precalentado. Y añadir 2 ml de una solución tampón de 05%tripsina a una placa de 10 cm de diámetro. Vuelva a colocar las celdas en 37
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Visión general
Este estudio presenta dispositivos microfabricados integrados con componentes fluidicos que crean una plataforma in vitro para estudios celulares, imitando de cerca el micro-ambiente in vivo. La investigación se centra en chips microfluídicos basados en polimetilmetacrilato diseñados para investigar las respuestas celulares a varios estímulos.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Microfluídica
- Biología celular
- Estudios in vitro
Antecedentes
- Los dispositivos microfabricados mejoran el estudio de los ambientes celulares.
- Los componentes fluidicos permiten un control preciso de las condiciones experimentales.
- Entender las respuestas celulares es crucial para varias aplicaciones biológicas.
- El polimetilmetacrilato es un material versátil para aplicaciones microfluídicas.
Propósito del estudio
- Desarrollar una plataforma para estudiar las respuestas celulares en un ambiente controlado.
- Imitar condiciones in vivo utilizando tecnología microfluídica.
- Investigar los efectos de estímulos químicos, eléctricos y de estrés de cizallamiento en las células.
Métodos utilizados
- Diseño y fabricación de chips microfluídicos usando polimetilmetacrilato.
- Integración de componentes fluidicos para un mejor control experimental.
- Aplicación de varios estímulos para evaluar las respuestas celulares.
- Experimentación in vitro para simular condiciones in vivo.
Resultados principales
- Éxito en el desarrollo de chips microfluídicos para estudios celulares.
- Demostración de la capacidad para controlar efectivamente las condiciones ambientales.
- Observación de respuestas celulares distintas a diferentes estímulos.
- Provee información sobre las interacciones entre las células y su micro-ambiente.
Conclusiones
- La plataforma microfluídica es una herramienta valiosa para estudiar el comportamiento celular.
- Los hallazgos contribuyen a la comprensión de las respuestas celulares en un entorno controlado.
- Las aplicaciones futuras pueden incluir pruebas de medicamentos y modelado de enfermedades.
Preguntas frecuentes
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
