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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ce protocole décrit une plate-forme de culture cellulaire reconfigurable à base de membranes qui intègre le format à puits ouvert avec des capacités d’écoulement de fluide. Cette plateforme est compatible avec les protocoles standard et permet des transitions réversibles entre les modes de culture à puits ouvert et microfluidique, répondant aux besoins des laboratoires d’ingénierie et de biosciences.
Les systèmes microphysiologiques sont des plateformes de culture cellulaire miniaturisées utilisées pour imiter la structure et la fonction des tissus humains en laboratoire. Cependant, ces plateformes n’ont pas été largement adoptées dans les laboratoires de biosciences où les approches membranaires à puits ouverts servent de référence pour imiter les barrières tissulaires, malgré l’absence de capacités d’écoulement des fluides. Ce problème peut être principalement attribué à l’incompatibilité des systèmes microphysiologiques existants avec les protocoles et outils standard développés pour les systèmes à puits ouverts.
Ici, nous présentons un protocole pour créer une plate-forme membranaire reconfigurable avec une structure à puits ouverts, une capacité d’amélioration de l’écoulement et une compatibilité avec les protocoles conventionnels. Ce système utilise une approche d’assemblage magnétique qui permet une commutation réversible entre les modes puits ouverts et microfluidique. Grâce à cette approche, les utilisateurs ont la possibilité de commencer une expérience dans le format de puits ouvert en utilisant des protocoles standard et d’ajouter ou de supprimer des capacités d’écoulement selon les besoins. Pour démontrer l’utilisation pratique de ce système et sa compatibilité avec les techniques standard, une monocouche de cellules endothéliales a été établie dans un format à puits ouvert. Le système a été reconfiguré pour introduire un flux de fluide, puis est passé au format à puits ouvert pour effectuer l’immunomarquage et l’extraction de l’ARN. En raison de sa compatibilité avec les protocoles conventionnels à puits ouverts et de sa capacité d’amélioration de l’écoulement, cette conception reconfigurable devrait être adoptée par les laboratoires d’ingénierie et de biosciences.
Les barrières vasculaires servent d’interface critique qui sépare le compartiment sanguin des tissus environnants. Ils jouent un rôle essentiel dans la préservation de l’homéostasie en attirant les cellules immunitaires, en contrôlant la perméabilité moléculaire et en protégeant contre l’intrusion d’agents pathogènes dans les tissus 1,2. Des modèles de culture in vitro ont été développés pour imiter le microenvironnement in vivo, permettant des études systématiques sur les facteurs et les conditions qui ont un impact sur les propriétés de barrière à l’état sain et malade 3,4.
L’approche la plus largement utilisée pour de tels modèles de culture est la configuration « à puits ouvert »de type Transwell 5, où une membrane de culture poreuse et gravée sépare les compartiments remplis de milieux (Figure 1A). Dans ce format, les cellules peuvent être ensemencées de chaque côté de la membrane, et un large éventail de protocoles expérimentaux a été développé. Cependant, ces systèmes sont limités dans leur capacité à fournir les flux de fluides essentiels pour soutenir la maturation de la barrière et imiter la circulation des cellules immunitaires observée in vivo 5,6. Par conséquent, ils ne peuvent pas être utilisés pour des études nécessitant des écoulements dynamiques qui introduisent des doses de médicaments, une stimulation mécanique ou des contraintes de cisaillement induites par un fluide 6,7,8.
Pour surmonter les limites des systèmes à puits ouverts, des plateformes microfluidiques combinant des membranes de culture poreuses avec des canaux fluidiques adressables individuellement ont été développées9. Ces plates-formes offrent un contrôle précis de l’acheminement des fluides, de la perfusion et de l’introduction de composés chimiques, une stimulation contrôlée par cisaillement et des capacités d’ajout dynamique de cellules 7,10,11,12,13. Malgré les capacités avancées fournies par les plateformes microfluidiques, elles n’ont pas été largement adoptées dans les laboratoires de biosciences en raison de protocoles microfluidiques complexes et de leur incompatibilité avec les flux de travail expérimentaux établis 4,10,14.
Pour combler le fossé entre ces technologies, nous présentons un protocole qui utilise un système modulaire magnétiquement reconfigurable. Ce système peut être facilement commuté entre les modes puits ouvert et microfluidique en fonction des besoins spécifiques de l’expérience. La plateforme comprend un dispositif à puits ouvert, connu sous le nom de m-μSiM (système microphysiologique modulaire activé par une membrane de silicium), avec une membrane de culture de 100 nm d’épaisseur (nanomembrane). Cette nanomembrane possède une porosité élevée (15 %) et une transparence semblable à celle du verre, comme illustré à la figure 1B. Il sépare physiquement le compartiment supérieur d’un canal inférieur, permettant le transport moléculaire à travers des échelles de longueur physiologiques15. Contrairement aux membranes conventionnelles gravées par trace, qui présentent des défis connus pour l’imagerie des cellules vivantes avec l’imagerie en fond clair, les propriétés optiques et physiques favorables de la nanomembrane permettent une visualisation claire des cellules de chaque côté de la surface de la membrane 15,16,17.
Le présent protocole décrit la fabrication de modules d’ensemencement et d’écoulement spécialisés et explique la reconfiguration magnétique de la plate-forme. Il montre comment la plateforme peut être utilisée pour établir des barrières endothéliales dans des conditions statiques et dynamiques. Cette démonstration révèle que les cellules endothéliales s’alignent dans le sens du flux, avec une régulation à la hausse des cibles génétiques sensibles au cisaillement sous stimulation par cisaillement.
Cette conception peut être utilisée dans différents modes en fonction des exigences expérimentales et des préférences de l’utilisateur final. Avant chaque expérience, consultez l’organigramme de décision présenté à la figure 2 pour déterminer les étapes et les modules nécessaires au protocole. Par exemple, si l’utilisateur a l’intention de conserver le format à puits ouvert tout au long d’une expérience pour le comparer directement avec le système de type Transwell, le gabarit de motif n’est pas nécessaire pour l’ensemencement cellulaire. Le module de base est disponible dans le commerce (voir Tableau des matériaux), et la nanomembrane ultramince peut être sélectionnée parmi une bibliothèque de matériaux avec différentes porosités et tailles de pores pour répondre aux besoins expérimentaux.
1. Fabrication du pochoir à motifs
REMARQUE : Le pochoir de motif sert à positionner les cellules exclusivement sur la région poreuse de la puce à membrane, empêchant les cellules de se déposer sur la couche de silicium environnante où elles pourraient potentiellement subir des dommages après l’ajout du module de flux16 (voir Figure 3). Les dommages à la monocouche peuvent nuire à l’intégrité de la barrière et compromettre les résultats expérimentaux. Le pochoir n’est pas nécessaire dans une culture ouverte et statique, car il n’y a aucun risque de dommages.
2. Fabrication du module d’écoulement
REMARQUE : Le module d’écoulement partage une empreinte similaire à celle du puits en forme de trèfle du module central et comprend un microcanal moulé (largeur = 1,5 mm, hauteur = 0,2 mm, longueur = 5 mm). La forme du trèfle aide à aligner le canal sur la région de culture poreuse (figure 5).
3. Fabrication de boîtiers acryliques inférieurs et supérieurs
REMARQUE : Le module central s’insère dans le boîtier inférieur. L’attraction entre les aimants intégrés dans les boîtiers comprime et scelle le module d’écoulement au module central (Figure 6).
4. Fabrication du circuit d’écoulement
REMARQUE : Le circuit d’écoulement en boucle fermée contient deux flacons de prélèvement d’échantillons comme réservoirs (Figure 7). Le réservoir d’entrée est équipé d’un filtre au difluorure de polyvinylidène (PVDF) pour permettre au média cellulaire de s’équilibrer avec la concentration de CO2 dans l’incubateur.
5. Ensemencement cellulaire
REMARQUE : Semblable aux inserts de membrane conventionnels, différents types de cellules peuvent être cultivés sur la nanomembrane. Un type de cellule secondaire peut également être co-cultivé de l’autre côté de la membrane dans le canal inférieur15.
6. Reconfiguration en mode microfluidique
7. Effectuer une analyse en aval sous forme de puits ouvert après l’introduction de l’écoulement
NOTE : Le temps de culture dépend ici des objectifs expérimentaux. Les utilisateurs peuvent effectuer des analyses en aval (par exemple, immunocytochimie, extraction d’ARN) dans des formats à puits ouvert ou microfluidiques selon leurs préférences. Par exemple, si un format à puits ouvert est préféré, le système doit être reconfiguré pour effectuer des analyses basées sur des protocoles standard 16,19.
Le module central à puits ouvert est initialement positionné dans une cavité spécifique créée par un boîtier inférieur et une lamelle, comme illustré à la figure 6A. Ensuite, le module de flux, qui comprend un microcanal et des ports d’accès, est inséré dans le puits du module central. Le module d’écoulement est solidement scellé contre la couche de support en silicium de la membrane en raison de la force d’attraction magnétique entre les aimants intégrés dans les boîtiers inférieur et supérieur, comme illustré à la figure 6B. Pour évaluer l’efficacité de ce mécanisme de verrouillage magnétique, un test de pression d’éclatement a été effectué, démontrant que le système peut résister à des pressions d’impasse allant jusqu’à 38,8 ± 2,4 kPa. Cette tolérance à la pression dépasse considérablement les pressions de fonctionnement typiques rencontrées dans les applications de culture cellulaire. De plus, le système reste exempt de fuites lorsqu’il est soumis à des débits allant jusqu’à 4000 μL/min, ce qui équivaut à une contrainte de cisaillement de 74 dynes/cm2 dans la région de culture16.
Lors du développement d’une plate-forme capable de basculer entre les modes à puits ouvert et microfluidique, une attention particulière doit être accordée à l’approche d’ensemencement cellulaire, qui n’est généralement pas une préoccupation pour les plates-formes statiques à puits ouvertsconventionnelles 16. L’endommagement de la monocouche autour de la limite du canal pourrait introduire des complications dans les résultats expérimentaux20. Pour résoudre ce problème, un pochoir amovible a été conçu qui s’insère dans le puits ouvert du module central et fournit une fenêtre spécifique pour que les cellules se déposent préférentiellement à la surface de la membrane (Figure 3). Une fois que la monocouche cellulaire est structurée et atteint la confluence, l’utilisateur a la possibilité de poursuivre l’expérience dans le format à puits ouvert ou de reconfigurer la plate-forme en mode microfluidique pour exposer la monocouche cellulaire à une contrainte de cisaillement physiologique (Figure 3). Le mécanisme de verrouillage magnétique permet de basculer facilement entre les formats à puits ouvert et microfluidique selon les besoins. Par exemple, le dispositif peut être rétabli au format à puits ouvert après une stimulation de flux, offrant aux utilisateurs la possibilité d’effectuer une variété de tests (tels que l’immunomarquage, l’extraction d’ARN et les mesures de perméabilité moléculaire) en utilisant des protocoles expérimentaux standard15,16.
Dans le cadre physiologique du corps humain, la barrière vasculaire est exposée à un stress de cisaillement induit par l’écoulement, qui sert de signal biophysique clé qui affecte la structure et la fonction de la barrière 5,21,22. Ainsi, l’ajout d’un écoulement de fluide dans les systèmes microphysiologiques est une exigence clé. Pour démontrer la polyvalence de la plate-forme, une monocouche HUVEC a été établie dans un format à puits ouvert en utilisant des protocoles standard. Après 24 h de culture statique, la plateforme a été reconfigurée en mode microfluidique pour exposer la monocouche cellulaire à une contrainte de cisaillement de 10,7 dynes/cm2 pendant 24 h. Les résultats ont indiqué que les cellules cultivées sous flux étaient alignées le long de la direction du flux tandis que les cellules cultivées sans flux restaient orientées de manière aléatoire (Figure 8A,B). Après la stimulation par cisaillement, la plateforme a été reconfigurée au format à puits ouvert pour extraire l’ARN en utilisant des protocoles standard. Les résultats ont indiqué que l’exposition des cellules au stress de cisaillement entraînait la régulation positive du facteur 2 de type Kruppel (KLF2) et de l’oxyde nitrique synthase endothélial (eNOS), qui jouent des rôles essentiels tels que les fonctions anti-thrombotiques et athéroprotectrices dans les vaisseaux sanguins sains23,24 (Figure 8C).

Figure 1 : Comparaison de modèles de barrière vasculaire in vitro. Illustration schématique de (A) inserts conventionnels de type Transwell et (B) le m-μSiM à puits ouvert. Les images en fond clair d’une monocouche HUVEC confluente mettent en évidence la différence de qualité d’imagerie en fond clair entre une membrane gravée par trace et une nanomembrane ultrafine. Barres d’échelle = 100 μm. Adapté de Mansouri et al.16. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Organigramme de la prise de décision. Un organigramme basé sur les besoins expérimentaux et les préférences d’analyse en aval. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Flux de travail expérimental de la plateforme. (A) Pour positionner directement les cellules sur la membrane poreuse, un pochoir de motif amovible est inséré dans le puits du module central (l’encart montre les cellules à motifs, les lignes jaunes présentent les limites des microcanaux). (B) Le pochoir peut être conservé ou retiré dans l’appareil pour la culture cellulaire statique. (C) Pour reconfigurer la plate-forme en mode microfluidique, le pochoir est remplacé par le module de flux. Grâce au mécanisme d’étanchéité magnétique, la configuration est réversible ; Les boîtiers et le module de flux peuvent être retirés pour passer en mode puits ouvert. Barre d’échelle = 200 μm. Adapté de Mansouri et al.16. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Illustration schématique des moules. (A) Le moule au pochoir. (B) Feuille acrylique découpée au laser. (C) vue assemblée du moule au pochoir. (D) Moule de module d’écoulement. (E) Feuille acrylique découpée au laser. (F) Vue assemblée du moule du module d’écoulement. Les caractéristiques en forme de triangle sont des marques d’alignement pour faciliter la fixation des feuilles acryliques aux moules. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Schéma du module d’écoulement en forme de trèfle. (A) L’interface de contact entre le module d’écoulement et la puce à membrane. Les orifices d’entrée et de sortie pour l’écoulement du fluide sont indiqués en rose. (B) Image 3D du module d’écoulement PDMS. Adapté de Mansouri et al.16. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Assemblage magnétique pour la reconfiguration du dispositif. (A) Démonstration schématique des composants pour la reconfiguration du dispositif en mode microfluidique. Des aimants intégrés avec des pôles opposés induisent une attraction pour l’étanchéité. (B) Vue en coupe transversale du dispositif reconfiguré montrant le canal vasculaire en rose et le compartiment tissulaire en vert. Adapté de Mansouri et al.16. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7 : Vue assemblée du circuit d’écoulement. Le circuit se compose d’une pompe péristaltique, de deux réservoirs pour l’alimentation des fluides cellulaires et des fluctuations d’amortissement, de tubes et d’une platine en acrylique pour maintenir les composants en place. Adapté de Mansouri et al.16. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 8 : Comparaison des HUVEC cultivés en mode puits ouvert et microfluidique. Les cellules ont été ensemencées et cultivées dans un puits ouvert pendant 24 heures pour établir une monocouche confluente. Au cours de la période de 24 h qui a suivi, un ensemble d’appareils a été reconfiguré en mode microfluidique. (A) Cellules cultivées sous écoulement (contrainte de cisaillement de 10,7 dynes.cm-2) alignées le long de la direction de l’écoulement (l’encart montre l’actine et les noyaux des cellules en vert et en bleu, respectivement). (B) Les cellules cultivées sans écoulement dans un format à puits ouvert n’ont montré aucun alignement. La longueur des barres dans les tracés radar indique le nombre de cellules dans la direction correspondante. (C) Les cellules cultivées sous flux ont montré une régulation positive plus élevée des gènes KLF2 et eNOS par rapport à la condition sans flux (**p < 0,01, n = 3, moyenne ± écart-type). Barres d’échelle = 100 μm. Adapté de Mansouri et al.16. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Tableau supplémentaire 1 : Contrainte de cisaillement sur la surface de la nanomembrane à différents débits. Ce tableau fournit des informations sur les valeurs de contrainte de cisaillement sur la surface de la nanomembrane à différents débits. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 1 : Modèle CAO du moule à pochoir. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 2 : Modèle CAO de cavités découpées au laser pour le moule à pochoir. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 3 : Modèle CAO du module de flux. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 4 : Modèle CAO de cavités découpées au laser pour le moule du module d’écoulement. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 5 : Modèle CAO du boîtier supérieur. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 6 : Modèle CAO du boîtier inférieur. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier de codage supplémentaire 7 : Modèle CAO de la platine acrylique. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
J.L.M. est cofondateur de SiMPore, Inc. et détient une participation dans la société. SiMPore commercialise les technologies à base de silicium ultramince, y compris les membranes utilisées dans cette étude.
Ce protocole décrit une plate-forme de culture cellulaire reconfigurable à base de membranes qui intègre le format à puits ouvert avec des capacités d’écoulement de fluide. Cette plateforme est compatible avec les protocoles standard et permet des transitions réversibles entre les modes de culture à puits ouvert et microfluidique, répondant aux besoins des laboratoires d’ingénierie et de biosciences.
Cette recherche a été financée en partie par le National Institute of Health dans le cadre des subventions R43GM137651, R61HL154249, R16GM146687 et de la subvention CBET 2150798 de la NSF. Les auteurs remercient l’atelier d’usinage RIT pour la fabrication de moules en aluminium. Le contenu relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles des National Institutes of Health.
| 0,5 x 0,86 Tubes Micro Flow | Langer Instruments | WX10-14 & | |
| Poinçons de biopsie jetables série DG 1 mm, Integra Miltex | VWR | 95039-090 | |
| 1x PBS 7.4 pH | ThermoFisher Scientific | 10010023 | |
| 20 GAUGE IT SERIES D’EMBOUT DE DISTRIBUTION | Jensen Global | JG20-1.5X | |
| 21 GAUGE NT PREMIUM SERIES D’UN EMBOUT DE DISTRIBUTION INCLINÉ | Jensen Global | JG21-1.0HPX-90 | |
| 3M 467 MP Sensible à la pression adhésif (PSA) | DigiKey | 3M9726-ND | |
| 3M 468 MP Adhésif sensible à la pression (PSA) | DigiKey | 3M9720-ND | |
| AlexaFluor 488 phalloïdine conjuguée | ThermoFisher Scientific | A12379  ; | |
| Biosystèmes appliqués  ; TaqMan Fast Advanced Master Mix | Thermo Fisher Scientific | 4444556 | |
| Albumine sérique bovine (BSA), fraction V, 98 %, qualité réactif, Alfa Aesar, taille = 10 g | VWR | AAJ64100-09 | |
| Feuille acrylique coulée transparente résistante aux rayures et aux UV | McMaster-Carr | 8560K171 | 12 » x 12 » x 1/16 |
| Feuille acrylique coulée transparente résistante aux rayures et aux UV | McMaster-Carr | 8589K31 | 12 » x 12 » x 3/32 » |
| Feuille acrylique coulée transparente résistante aux rayures et aux UV | McMaster-Carr | 8560K191 | 12 » x 12 » x 7.64" |
| Corning Fibronectine, humaine, 1 mg | Corning | 47743-728 | |
| Lunettes de couverture, Globe Scientific, L x l = 24 x 60 mm | VWR | 10118-677 | |
| DOW SYLGARD 184 SILICONE ENCAPSULANT TRANSPARENT 0,5 KG KIT | Ellsworth Adhésifs | 4019862 | |
| EGM-2 Endothélial Cell Growth Medium-2 BulletKit | Lonza | CC-3162 | |
| Fixture A1& A2 | SiMPore Inc. | Luminaire NA | |
| B1& B2 | SiMPore Inc. | ||
| Kit de transcription inverse de l’ADNc haute capacité NA avec inhibiteur de la RNase | Thermo Fisher Scientific | 4374966 | |
| Cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (HUVEC) | ThermoFisher Scientific | C0035C | |
| Kit d’imagerie de cellules vivantes/mortes (488/570) | Sondes moléculairesThermo Fisher Scientific | R37601 | |
| Hoechst 33342, Trichlorhydrate, Trihydrate | Thermo Fisher Scientific | H3570 | |
| Aimants nickelés (4,75 mm de diamètre, force de traction de 0,34 kg) | K& J Magnetics | D31 | 3/16" dia.  ; x 1/16" d’épaisseur |
| Paraformaldéhyde, 4 % p/v aq. soln., sans méthanol, Alfa Aesar | Fisher Scientific | aa47392-9M | |
| Pompe péristaltique | Langer Instruments | BQ50-1J-A | |
| Photoresist SU-8 solution de développement | Fisher Scientific | NC9901158 | |
| PVDF filtres à seringue | PerkinElmer | 2542913 | |
| Silicon wafer | Plaquette universitaire, États-Unis | 1196 | |
| SU-8 3050 | Fisher Scientific | NC0702369 | |
| Gène cible : eNOS (Hs01574659_m1) | ThermoFisher Scientific | 4331182 | |
| Gène cible : GAPDH (Hs02786624_g1) | ThermoFisher Scientific | 4331182 | |
| Gène cible : KLF2 (Hs00360439_g1) | ThermoFisher Scientific | 4331182 | |
| Thermo Scientific  ; Pierce 20x PBS Tween 20 | Thermo Fisher Scientific | 28352 | |
| Tube de transport Échantillon Bouchons blancs, 5 mL, Stérile | VWR | 100500-422 | |
| TRI-réactif | ThermoFisher Scientific | AM9738 | |
| Puce à membrane nanoporeuse ultramince | SiMPore Inc. | NPSN100-1L | La conception est compatible avec toutes les membranes SiMPore |
| uSiM component 1 | SiMPore Inc. | NA | |
| uSiM composant 2 | SiMPore Inc. | Na |