Conception de dispositifs microfluidiques pour étudier les réponses cellulaires Sous simple ou Coexistence chimique / électrique / Shear Stress Stimuli
13 août 2016
Des dispositifs microfabriqués intégrés à des composants fluidiques fournissent une plate-forme in vitro pour des études cellulaires imitant le micro-environnement in vivo. Nous avons développé des puces microfluidiques à base de polyméthacrylate de méthyle pour étudier les réponses cellulaires sous des stimuli de stress chimique/électrique/de cisaillement uniques ou coexistants.
L’objectif global de cette procédure est de concevoir et de fabriquer des dispositifs microfluidiques pour observer comment les cellules réagissent aux stimuli environnementaux. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés en biologie cellulaire et en génie biomédical. Comme la façon dont les cellules réagissent à différents stimuli environnementaux, y compris les produits chimiques, les contraintes de cisaillement et le champ électrique. Le principal avantage de cette technique est que les tubes sont faciles à fabriquer et à assembler. Et cela, ces dispositifs microfludiques peuvent rendre la condition in vivo avec des capacités exceptionnelles élevées. Tzu-Yuan Chou, un étudiant de premier cycle de mon laboratoire, et Hsien-San Hou, un post-personnel du laboratoire du Dr Julian Chung, feront la démonstration de la procédure. Pour commencer, allumez le traceur laser à dioxyde de carbone et vérifiez sa connexion à l’ordinateur. Ensuite, chargez un motif d’arbre de Noël pré-dessiné, comme l’un des motifs présentés ici dans le scribe. Ensuite, placez une feuille de PMMA ou un morceau de ruban adhésif double face sur le dessus de la platine du traceur. Ajustez la mise au point du laser à dioxyde de carbone à l’aide de la barre d’étalonnage et du laser à hélium néon visible. Ensuite, tracez le motif sur le substrat. Lorsque vous avez terminé, ramassez le substrat du motif, retirez les morceaux indésirables et utilisez un jet d’azote pour nettoyer la surface de tous les débris restants. Répétez ce processus pour chaque composant de la puce. Assemblez la puce microfluidique de contrainte de cisaillement chimique. Pour ce faire, fixez trois feuilles de feuilles de PMMA à motif de cisaillement chimique à l’aide de deux morceaux de ruban adhésif double face gravé. Utilisez de la super colle pour fixer un adaptateur acrylique avec des filetages au milieu à la couche supérieure de PMMA de la puce en alignant les filetages et les trous. Ces adaptateurs serviront de sorties d’entrées moyennes et de connecteurs de pont salin. Ajoutez ensuite un autre morceau de ruban adhésif double face de 07 mm d’épaisseur au bas de la puce et fixez la puce à une boîte de Pétri de 10 cm de diamètre. Une fois assemblé, mettez la puce dans une chambre à vide pendant la nuit. Assemblez maintenant la puce de champ chimique-électrique. Fixez la feuille de PMMA gravée pour la puce de champ chimique-électrique avec du ruban adhésif double face à une boîte de Pétri de 10 cm de diamètre. Avant d’utiliser les puces, exposez-les aux UV pendant 30 minutes pour les stériliser. Ensuite, connectez les entrées des puces à des seringues remplies de PBS de 3 ml à l’aide de tubes en plastique et d’écrous serrés à la main. De la même manière, connectez les sorties à un tube à déchets. Appuyez lentement sur le piston de la seringue pour amorcer les canaux fluidiques avec du PBS. Poussez la seringue d’avant en arrière pour éliminer les bulles, puis mettez les chips dans un incubateur pendant la nuit. Pour configurer les puces de champ chimico-électriques, remplissez 3 % d’agarous dans les écrous tubulaires pour configurer les ponts de sel. Placez ensuite les électrodes de chlorure d’argent et d’argent dans les écrous tubulaires. Cultivez des cellules CL1-5 du cancer du poumon dans du D-MEM complété par 10 % de FBS jusqu’à ce qu’elles atteignent 90 % de confluence. Aspirez ensuite le fluide. Lavez les cellules une fois avec du PBS préchauffé. Et ajoutez 2 ml d’une solution tampon à 05 % de tripsine dans une plaque de 10 cm de diamètre. Remettez les cellules à 37
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Aperçu
Cette étude présente des dispositifs micro-fabriqués intégrés avec des composants fluidiques qui créent une plateforme in vitro pour les études cellulaires, imitant de près le micro-environnement in vivo. La recherche se concentre sur des puces microfluidiques à base de polyméthacrylate de méthyle conçues pour étudier les réponses cellulaires à divers stimuli.
Composants clés de l'étude
Domaine de la science
- Microfluidique
- Biologie cellulaire
- Études in vitro
Contexte
- Les dispositifs micro-fabriqués améliorent l'étude des environnements cellulaires.
- Les composants fluidiques permettent un contrôle précis des conditions expérimentales.
- Comprendre les réponses cellulaires est crucial pour diverses applications biologiques.
- Le polyméthacrylate de méthyle est un matériau polyvalent pour les applications microfluidiques.
Objectif de l'étude
- Développer une plateforme pour étudier les réponses cellulaires dans un environnement contrôlé.
- Imitant les conditions in vivo à l'aide de la technologie microfluidique.
- Investiguer les effets des stimuli chimiques, électriques et de contrainte de cisaillement sur les cellules.
Méthodes utilisées
- Conception et fabrication de puces microfluidiques utilisant du polyméthacrylate de méthyle.
- Intégration de composants fluidiques pour un meilleur contrôle expérimental.
- Application de divers stimuli pour évaluer les réponses cellulaires.
- Expérimentation in vitro pour simuler les conditions in vivo.
Principaux résultats
- Développement réussi de puces microfluidiques pour les études cellulaires.
- Capacité démontrée à contrôler efficacement les conditions environnementales.
- Observation de réponses cellulaires distinctes à différents stimuli.
- Fourni des informations sur les interactions entre les cellules et leur micro-environnement.
Conclusions
- La plateforme microfluidique est un outil précieux pour étudier le comportement cellulaire.
- Les résultats contribuent à la compréhension des réponses cellulaires dans un cadre contrôlé.
- Les applications futures peuvent inclure les tests de médicaments et la modélisation des maladies.
Questions fréquemment posées
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
