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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Questo protocollo descrive una piattaforma di coltura cellulare riconfigurabile basata su membrana che integra il formato a pozzetto aperto con capacità di flusso del fluido. Questa piattaforma è compatibile con i protocolli standard e consente transizioni reversibili tra le modalità di coltura a pozzetto aperto e microfluidica, soddisfacendo le esigenze dei laboratori di ingegneria e bioscienze.
I sistemi microfisiologici sono piattaforme di coltura cellulare miniaturizzate utilizzate per imitare la struttura e la funzione dei tessuti umani in un ambiente di laboratorio. Tuttavia, queste piattaforme non hanno ottenuto un'adozione diffusa nei laboratori di bioscienze, dove gli approcci basati su membrana a pozzetto aperto fungono da gold standard per imitare le barriere tissutali, nonostante la mancanza di capacità di flusso dei fluidi. Questo problema può essere attribuito principalmente all'incompatibilità dei sistemi microfisiologici esistenti con i protocolli standard e gli strumenti sviluppati per i sistemi a pozzo aperto.
Qui, presentiamo un protocollo per la creazione di una piattaforma riconfigurabile basata su membrana con una struttura a pozzetto aperto, capacità di miglioramento del flusso e compatibilità con i protocolli convenzionali. Questo sistema utilizza un approccio di assemblaggio magnetico che consente la commutazione reversibile tra le modalità a pozzetto aperto e microfluidica. Con questo approccio, gli utenti hanno la flessibilità di iniziare un esperimento nel formato a pozzetto aperto utilizzando protocolli standard e di aggiungere o rimuovere funzionalità di flusso in base alle esigenze. Per dimostrare l'uso pratico di questo sistema e la sua compatibilità con le tecniche standard, è stato creato un monostrato di cellule endoteliali in un formato a pozzetto aperto. Il sistema è stato riconfigurato per introdurre il flusso di fluido e quindi è passato al formato a pozzetto aperto per condurre l'immunocolorazione e l'estrazione dell'RNA. Grazie alla sua compatibilità con i protocolli convenzionali a pozzo aperto e alla capacità di miglioramento del flusso, si prevede che questo design riconfigurabile sarà adottato sia dai laboratori di ingegneria che da quelli di bioscienze.
Le barriere vascolari fungono da interfaccia critica che separa il compartimento sanguigno dal tessuto circostante. Svolgono un ruolo fondamentale nel preservare l'omeostasi attirando le cellule immunitarie, controllando la permeabilità molecolare e proteggendo dall'intrusione di agenti patogeni nel tessuto 1,2. Sono stati sviluppati modelli di coltura in vitro per imitare il microambiente in vivo, consentendo indagini sistematiche sui fattori e sulle condizioni che influenzano le proprietà di barriera sia in stato sano che malato 3,4.
L'approccio più utilizzato per tali modelli di coltura è la configurazione "a pozzetto aperto"simile a Transwell 5, in cui una membrana di coltura porosa e incisa separa i compartimenti pieni di terreno (Figura 1A). In questo formato, le cellule possono essere seminate su entrambi i lati della membrana ed è stata sviluppata un'ampia gamma di protocolli sperimentali. Tuttavia, questi sistemi sono limitati nella loro capacità di fornire i flussi di fluidi essenziali per supportare la maturazione della barriera e imitare la circolazione delle cellule immunitarie osservate in vivo 5,6. Di conseguenza, non possono essere utilizzati per studi che richiedono flussi dinamici che introducono dosi di farmaco, stimolazione meccanica o sollecitazioni di taglio indotte da fluidi 6,7,8.
Per superare i limiti dei sistemi a pozzetto aperto, sono state sviluppate piattaforme microfluidiche che combinano membrane di coltura porose con canali fluidici indirizzabili individualmente9. Queste piattaforme offrono un controllo preciso sull'instradamento dei fluidi, la perfusione e l'introduzione di composti chimici, la stimolazione a taglio controllata e le capacità di aggiunta dinamica delle cellule 7,10,11,12,13. Nonostante le capacità avanzate fornite dalle piattaforme microfluidiche, non hanno visto un'adozione diffusa nei laboratori di bioscienze a causa dei complessi protocolli microfluidici e della loro incompatibilità con i flussi di lavoro sperimentali stabiliti 4,10,14.
Per colmare il divario tra queste tecnologie, presentiamo un protocollo che impiega un sistema basato su moduli riconfigurabile magneticamente. Questo sistema può essere facilmente commutato tra la modalità a pozzetto aperto e la modalità microfluidica in base alle esigenze specifiche dell'esperimento. La piattaforma è dotata di un dispositivo a pozzetto aperto, noto come m-μSiM (sistema microfisiologico modulare abilitato da una membrana di silicio), con una membrana di coltura (nanomembrana) spessa 100 nm. Questa nanomembrana possiede un'elevata porosità (15%) e una trasparenza simile al vetro, come illustrato nella Figura 1B. Separa fisicamente il compartimento superiore da un canale inferiore, consentendo il trasporto molecolare attraverso scale di lunghezza fisiologiche15. A differenza delle membrane convenzionali incise su traccia, che presentano sfide note nell'imaging di cellule vive con imaging in campo chiaro, le proprietà ottiche e fisiche favorevoli della nanomembrana consentono una chiara visualizzazione delle cellule su entrambi i lati della superficie della membrana 15,16,17.
Il presente protocollo delinea la fabbricazione di moduli specializzati per la semina e il flusso e spiega la riconfigurazione magnetica della piattaforma. Dimostra come la piattaforma possa essere impiegata per stabilire barriere endoteliali sia in condizioni statiche che dinamiche. Questa dimostrazione rivela che le cellule endoteliali si allineano lungo la direzione del flusso, con una sovraregolazione dei bersagli genici sensibili al taglio sotto stimolazione al taglio.
Questo design può essere utilizzato in varie modalità in base alle esigenze sperimentali e alle preferenze dell'utente finale. Prima di ogni esperimento, consultare il diagramma di flusso decisionale presentato nella Figura 2 per determinare i passaggi e i moduli necessari per il protocollo. Ad esempio, se l'utente intende mantenere il formato a pozzetto aperto per tutta la durata di un esperimento per confrontarlo direttamente con il sistema di tipo Transwell, lo stencil di patterning non è necessario per la semina delle cellule. Il modulo centrale è disponibile in commercio (vedi Tabella dei materiali) e la nanomembrana ultrasottile può essere selezionata da una libreria di materiali con diverse porosità e dimensioni dei pori per soddisfare le esigenze sperimentali.
1. Fabbricazione dello stencil di modellazione
NOTA: Lo stencil di patterning serve a posizionare le celle esclusivamente sulla regione porosa del chip di membrana, impedendo alle celle di depositarsi sullo strato di silicio circostante dove potrebbero potenzialmente subire danni dopo l'aggiunta del modulo di flusso16 (fare riferimento alla Figura 3). Il danneggiamento del monostrato può influire negativamente sull'integrità della barriera e compromettere i risultati sperimentali. Lo stencil non è necessario in una cultura aperta e statica, in quanto non vi è alcun rischio di danneggiamento.
2. Realizzazione del modulo di flusso
NOTA: Il modulo di flusso condivide un ingombro simile con il pozzetto a forma di trifoglio del modulo centrale e include un microcanale stampato (larghezza = 1,5 mm, altezza = 0,2 mm, lunghezza = 5 mm). La forma a trifoglio aiuta ad allineare il canale sulla regione porosa della coltura (Figura 5).
3. Fabbricazione di alloggiamenti in acrilico inferiore e superiore
NOTA: Il modulo principale si inserisce nell'alloggiamento inferiore. L'attrazione tra i magneti incorporati negli alloggiamenti comprime e sigilla il modulo di flusso al modulo centrale (Figura 6).
4. Fabbricazione del circuito di flusso
NOTA: Il circuito di flusso a circuito chiuso contiene due fiale di raccolta del campione come serbatoi (Figura 7). Il serbatoio di ingresso è dotato di un filtro in difluoruro di polivinilidene (PVDF) per consentire al terreno cellulare di equilibrarsi con la concentrazione di CO2 nell'incubatore.
5. Semina cellulare
NOTA: Analogamente agli inserti di membrana convenzionali, diversi tipi di cellule possono essere coltivati sulla nanomembrana. Un tipo di cellula secondaria può anche essere co-coltivato sull'altro lato della membrana nel canale inferiore15.
6. Riconfigurazione in modalità microfluidica
7. Esecuzione dell'analisi a valle in formato a pozzo aperto dopo l'introduzione del flusso
NOTA: il tempo di coltura in questo caso dipende dagli obiettivi sperimentali. Gli utenti possono condurre analisi a valle (ad esempio, immunocitochimica, estrazione dell'RNA) in formato a pozzetto aperto o microfluidico in base alle loro preferenze. Ad esempio, se si preferisce un formato a pozzetto aperto, il sistema deve essere riconfigurato per condurre saggi basati su protocolli standard16,19.
Il modulo centrale a pozzetto aperto è inizialmente posizionato all'interno di una cavità specifica creata da un alloggiamento inferiore e da un vetrino coprioggetto, come illustrato nella Figura 6A. Successivamente, il modulo di flusso, che include un microcanale e porte di accesso, viene inserito nel pozzetto del modulo centrale. Il modulo di flusso è sigillato saldamente contro lo strato di supporto in silicio della membrana a causa della forza di attrazione magnetica tra i magneti incorporati negli alloggiamenti inferiore e superiore, come illustrato nella Figura 6B. Per valutare l'efficacia di questo meccanismo di aggancio magnetico, è stato condotto un test di pressione di scoppio, dimostrando che il sistema può resistere a pressioni senza uscita fino a 38,8 ± 2,4 kPa. Questa tolleranza di pressione supera significativamente le tipiche pressioni di esercizio che si incontrano nelle applicazioni di coltura cellulare. Inoltre, il sistema rimane privo di perdite se sottoposto a portate fino a 4000 μL/min, che equivale a una sollecitazione di taglio di 74 dynes/cm2 nella regione di coltura16.
Quando si sviluppa una piattaforma in grado di passare dalla modalità a pozzetto aperto a quella microfluidica, è necessario considerare attentamente l'approccio di semina cellulare, che in genere non è un problema per le piattaforme statiche a pozzetto aperto convenzionali16. Il danneggiamento del monostrato intorno al confine del canale potrebbe introdurre complicazioni nei risultati sperimentali20. Per risolvere questo problema, è stato progettato uno stencil rimovibile che si inserisce all'interno del pozzetto aperto del modulo centrale e fornisce una finestra specifica per consentire alle cellule di depositarsi preferenzialmente sulla superficie della membrana (Figura 3). Una volta che il monostrato cellulare è modellato e raggiunge la confluenza, l'utente ha la flessibilità di continuare l'esperimento nel formato a pozzetto aperto o di riconfigurare la piattaforma in modalità microfluidica per esporre il monostrato cellulare a sollecitazioni di taglio fisiologiche (Figura 3). Il meccanismo di chiusura magnetica offre la possibilità di passare facilmente dal formato a pozzetto aperto a quello microfluidico e viceversa in base alle esigenze. Ad esempio, il dispositivo può essere ripristinato al formato a pozzetto aperto dopo una stimolazione del flusso, offrendo agli utenti la flessibilità di condurre una varietà di saggi (come l'immunocolorazione, l'estrazione dell'RNA e le misurazioni della permeabilità molecolare) utilizzando protocolli sperimentali standard15,16.
Nel contesto fisiologico del corpo umano, la barriera vascolare è esposta allo stress di taglio indotto dal flusso, che funge da segnale biofisico chiave che influisce sulla struttura e sulla funzione della barriera 5,21,22. Pertanto, l'aggiunta di flusso di fluidi nei sistemi microfisiologici è un requisito chiave. Per dimostrare la versatilità della piattaforma, è stato creato un monostrato HUVEC in un formato a pozzetto aperto utilizzando protocolli standard. Dopo 24 ore di coltura statica, la piattaforma è stata riconfigurata in modalità microfluidica per esporre il monostrato cellulare a 10,7 dynes/cm2 di sforzo di taglio per 24 ore. I risultati hanno indicato che le cellule coltivate sotto flusso si sono allineate lungo la direzione del flusso, mentre le cellule coltivate senza flusso sono rimaste orientate in modo casuale (Figura 8A,B). Dopo la stimolazione a taglio, la piattaforma è stata riconfigurata nel formato a pozzetto aperto per estrarre l'RNA utilizzando protocolli standard. I risultati hanno indicato che l'esposizione delle cellule allo stress da taglio ha provocato la sovraregolazione del fattore Kruppel-like 2 (KLF2) e dell'ossido nitrico sintasi endoteliale (eNOS), che svolgono ruoli critici come le funzioni antitrombotiche e ateroprotettive nei vasi sanguigni sani23,24 (Figura 8C).

Figura 1: Confronto tra modelli di barriera vascolare in vitro . Illustrazione schematica di (A) inserti convenzionali simili a Transwell e (B) m-μSiM a pozzetto aperto. Le immagini in campo chiaro di un monostrato HUVEC confluente evidenziano la differenza nella qualità dell'imaging in campo chiaro tra una membrana incisa su traccia e una nanomembrana ultrasottile. Barre di scala = 100 μm. Adattato da Mansouri et al.16. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Diagramma di flusso del processo decisionale. Un diagramma di flusso basato sulle esigenze sperimentali e sulle preferenze di analisi a valle. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Flusso di lavoro sperimentale della piattaforma. (A) Per posizionare direttamente le cellule sulla membrana porosa, uno stencil di patterning rimovibile viene inserito nel pozzetto del modulo centrale (l'inserto mostra le celle modellate, le linee gialle mostrano i confini dei microcanali). (B) Lo stencil può essere conservato o rimosso nel dispositivo per la coltura cellulare statica. (C) Per riconfigurare la piattaforma in modalità microfluidica, lo stencil viene sostituito con il modulo di flusso. Grazie al meccanismo di tenuta magnetica, la configurazione è reversibile; Gli alloggiamenti e il modulo di flusso possono essere rimossi per passare alla modalità a pozzetto aperto. Barra della scala = 200 μm. Adattato da Mansouri et al.16. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Illustrazione schematica degli stampi. (A) Lo stampo dello stencil. (B) Lastra acrilica tagliata al laser. (C) vista assemblata dello stampo dello stencil. (D) Stampo del modulo di flusso. (E) Lastra acrilica tagliata al laser. (F) Vista assemblata dello stampo del modulo di flusso. Le caratteristiche a forma di triangolo sono segni di allineamento per facilitare il fissaggio di fogli acrilici agli stampi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Schema del modulo di flusso a forma di trifoglio. (A) L'interfaccia di contatto tra il modulo di flusso e il chip a membrana. Le porte di ingresso e di uscita per il flusso del fluido sono mostrate in rosa. (B) Immagine 3D del modulo di flusso PDMS. Adattato da Mansouri et al.16. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Assemblaggio magnetico per la riconfigurazione del dispositivo. (A) Dimostrazione schematica dei componenti per la riconfigurazione del dispositivo in modalità microfluidica. I magneti incorporati con poli opposti inducono l'attrazione per la tenuta. (B) Vista in sezione trasversale del dispositivo riconfigurato che mostra il canale vascolare in rosa e il compartimento tissutale in verde. Adattato da Mansouri et al.16. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Vista assemblata del circuito di flusso. Il circuito è costituito da una pompa peristaltica, due serbatoi per l'alimentazione dei terreni cellulari e le fluttuazioni di smorzamento, tubi e uno stadio acrilico per tenere in posizione i componenti. Adattato da Mansouri et al.16. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8: Confronto tra HUVEC coltivati in modalità a pozzetto aperto e microfluidica. Le cellule sono state seminate e coltivate in pozzetti aperti per 24 ore per stabilire un monostrato confluente. Durante il successivo periodo di 24 ore, un set di dispositivi è stato riconfigurato in modalità microfluidica. (A) Cellule coltivate sotto flusso (10,7 dynes.cm-2 sforzo di taglio) allineate lungo la direzione del flusso (l'inserto mostra l'actina e i nuclei delle cellule rispettivamente in verde e blu). (B) Le cellule coltivate senza flusso in formato a pozzetto aperto non hanno mostrato alcun allineamento. La lunghezza delle barre nei grafici radar mostra il numero di celle nella direzione corrispondente. (C) Le cellule coltivate sotto flusso hanno mostrato una maggiore sovraregolazione dei geni KLF2 ed eNOS rispetto alla condizione di assenza di flusso (**p < 0,01, n = 3, media ± DS). Barre di scala = 100 μm. Adattato da Mansouri et al.16. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tabella supplementare 1: Sforzo di taglio sulla superficie della nanomembrana a diverse portate. Questa tabella fornisce informazioni sui valori di sollecitazione di taglio sulla superficie della nanomembrana a varie velocità di flusso. Fare clic qui per scaricare il file.
File di codifica supplementare 1: modello CAD dello stampo per stencil. Fare clic qui per scaricare il file.
File di codifica supplementare 2: modello CAD delle cavità tagliate al laser per lo stampo dello stencil. Fare clic qui per scaricare il file.
File di codifica supplementare 3: modello CAD del modulo di flusso. Fare clic qui per scaricare il file.
File di codifica supplementare 4: modello CAD delle cavità tagliate al laser per lo stampo del modulo di flusso. Fare clic qui per scaricare il file.
File di codifica supplementare 5: modello CAD dell'alloggiamento superiore. Fare clic qui per scaricare il file.
File di codifica supplementare 6: modello CAD dell'alloggiamento inferiore. Fare clic qui per scaricare il file.
File di codifica supplementare 7: modello CAD del tavolino acrilico. Fare clic qui per scaricare il file.
J.L.M. è co-fondatore di SiMPore, Inc. e detiene una partecipazione azionaria nella società. SiMPore sta commercializzando le tecnologie ultrasottili a base di silicio, comprese le membrane utilizzate in questo studio.
Questo protocollo descrive una piattaforma di coltura cellulare riconfigurabile basata su membrana che integra il formato a pozzetto aperto con capacità di flusso del fluido. Questa piattaforma è compatibile con i protocolli standard e consente transizioni reversibili tra le modalità di coltura a pozzetto aperto e microfluidica, soddisfacendo le esigenze dei laboratori di ingegneria e bioscienze.
Questa ricerca è stata finanziata in parte dal National Institute of Health con i numeri di premio R43GM137651, R61HL154249, R16GM146687 e la sovvenzione NSF CBET 2150798. Gli autori ringraziano la RIT Machine Shop per la fabbricazione di stampi in alluminio. Il contenuto è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente il punto di vista ufficiale del National Institutes of Health.
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| 1x PBS 7.4 pH | ThermoFisher Scientific | 10010023 | |
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| 3M 468 MP Adesivo sensibile alla pressione (PSA) | DigiKey | 3M9720-ND | |
| AlexaFluor 488 falloidina coniugata | ThermoFisher Scientific | A12379 | |
| Biosistemi applicati TaqMan Fast Advanced Master Mix | Thermo Fisher Scientific | 4444556 | |
| Albumina sierica bovina (BSA), Frazione V, 98%, Grado reagente, Alfa Aesar, Dimensione = 10 g | VWR | AAJ64100-09 | |
| Lastra acrilica colata trasparente resistente ai graffi e ai raggi UV | McMaster-Carr | 8560K171 | 12" x 12" x 1/16" |
| Lastra acrilica colata trasparente resistente ai graffi e ai raggi UV | McMaster-Carr | 8589K31 | 12" x 12" x 3/32" |
| Lastra acrilica colata trasparente resistente ai graffi e ai raggi UV | McMaster-Carr | 8560K191 | 12" x 12" x 7,64" |
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| Kit di trascrizione inversa del cDNA NA ad alta capacità con inibitore della RNasi | Thermo Fisher Scientific | 4374966 | |
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| (488/570) | Thermo Fisher Scientific | R37601 | |
| Sonde molecolari Hoechst 33342, tricloridrato, triidrato | Magneti nichelati Thermo Fisher Scientific | H3570 | |
| (diametro 4,75 mm, forza di trazione 0,34 kg) | K& J Magnetics | D31 | 3/16" dia. x 1/16" di spessore |
| Paraformaldeide, 4% p/v aq. soln., senza metanolo, Alfa Aesar | Fisher Scientific | aa47392-9M | |
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| Provetta di trasporto Campione Tappi bianchi, 5 mL, sterile | VWR | 100500-422 | |
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| Chip a membrana nanoporosa ultrasottile | SiMPore Inc. | NPSN100-1L | Il design è compatibile con tutte le membrane SiMPore |
| uSiM componente 1 | SiMPore Inc. | NA | |
| uSiM componente 2 | SiMPore Inc. | Na |