本稿では、模擬微小重力下における生理学的流れ条件下での血管内皮細胞培養のための、気泡のない閉ループマイクロ流体デバイスの設計、組み立て、および操作に関するプロトコルを提示します。
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本稿では、模擬微小重力下における生理学的流れ条件下での血管内皮細胞培養のための、気泡のない閉ループマイクロ流体デバイスの設計、組み立て、および操作に関するプロトコルを提示します。
マイクロ生理学的システム(MPS)は、ヒト組織の構造と機能を再現する有用なin vitroモデルである。特に、マイクロ流体技術を組み込んだ組織チップまたはオルガンオンチップは、生体内の機械的および生化学的環境を再現し、細胞の増殖と分化をリアルタイムでモニタリングすることを可能にする。これらのシステムは、宇宙飛行による人体への影響を調査するために、国際宇宙ステーション(ISS)などの宇宙空間へ輸送できるため、宇宙飛行研究に特に有用である。MPSを成功させる上での大きな障害となるのが気泡の形成であり、これは微小重力下で顕著になる。本論文では、模擬微小重力(ランダムポジショニングマシンやクリノスタットによる運用など)で使用するためのマイクロ生理学的細胞培養システムの設計、組み立て、および運用について述べる。流体回路に方向依存性のないバブルトラップを組み込むことで、微小重力下での気泡除去に極めて有効であり、内皮細胞の長期培養が可能であることが示された。この閉ループで方向依存性のないマイクロ流体システムは、組織チップやオルガンオンチップを気泡なく運用して微小重力とフローの複合的な影響をシミュレートする場合や、宇宙ミッションへの展開に利用できる。
現在、研究が進められているメカニズムを通じて、機械的な力が細胞機能および健康と疾患の間の微細なバランスを維持する上で極めて重要な役割を果たすことが十分に確立されています1。あらゆる環境ストレスの中で、重力は特異なものであり、大多数の生物医学において、不変で妥協のないベクトルであると当然のように想定されています。しかし、宇宙飛行は独自の微小重力環境をもたらし、そこでは生物の挙動が地球上とは異なる可能性があります。動物やヒトを対象とした宇宙飛行実験では、生理機能に顕著な変化が見られており、細胞および個体レベルの恒常性における重力の役割が強調されています2。
近年、NASAやその他の民間機関は、宇宙ミッションへの展開に向けた組織チップ(またはオルガンオンチップ)の開発に大きな関心を寄せています3。組織チップはin vivoの構造を模倣するように設計されており、微小重力や宇宙放射線が生理学的および機序的に及ぼす影響を高精度にモデル化することが可能です4。ドナー由来の細胞を利用することで、組織チップは宇宙飛行士の微小重力や宇宙放射線に対する感受性を調査し、予防的な対抗策を開発するためにも利用できます5。過去5年間で、脳、肝臓、腸、血管、心臓、腎臓、肺を含むいくつかの器官系が組織チップを用いてモデル化され、ISSに搭載されました6。In vivoにおいて、器官は血管系によってさまざまな程度に灌流されており、それが生理機能を決定づけています。例えば、肝臓は血管分布が非常に豊富ですが、軟骨はそれよりもずっと少なくなっています。したがって、in vitroで器官機能を正確に再現するためには、組織や細胞に流体フローを組み込むことが、オルガンオンチップシステムの開発における重要な検討事項となります。
マイクロフルイディクスは、オルガンオンチップシステムにおける細胞や組織の灌流に使用されてきました7,8。適切な流速は、システム内への栄養輸送と老廃物の除去をサポートするだけでなく、細胞が受ける生理的な剪断応力を維持します。しかし、微小な寸法においては、気相境界における気泡が持続的な課題となり、不正確な測定、損傷、および閉塞を引き起こします9。この問題を軽減するために、能動的設計(例:真空脱気や音響または熱などの外場)および受動的設計(例:表面特性に依存する半透膜)を備えたバブルトラップが用いられてきました10,11。しかし、これらのマイクロフルイディック除泡装置の設計は、デバイスの作製複雑さを増大させ、サンプルの完全性を損ない、さらに目詰まりやバリアの破損を招きます。これらの問題は、核形成と気泡形成がより顕著に起こる宇宙空間において悪化し、地球上で有効な気泡軽減策の多くが機能しなくなります12。地上ベースの微小重力アナログは、回転壁容器(RWV)やランダムポジショニングマシン(RPM)などの装置を用いて生成できます13,14。特筆すべきは、RPMでは重力ベクトルが絶えず再配向されるため、サンプルに作用する時間平均的な正味の重力刺激をほぼゼロにできることです。我々は最近、RPMを用いた模擬微小重力下での血管内皮細胞の灌流培養に向けた、配向独立型バブルトラップの設計、作製、および応用について報告しました15。本記事では、この配向独立型バブルトラップを用いた閉ループ灌流システムの段階的な組み立てと操作について説明し、模擬微小重力下での連続細胞培養のモデルとして、ヒト臍帯静脈内皮細胞の培養への適用可能性を実証します。
このクローズドループシステムは、周波数および電圧制御によるマイクロポンプ動作のためのモータードライバーを備えたマイコン、液体流量センサー、バブルトラップ15、および接着性内皮細胞を含むマイクロ流路で構成されています。個々の構成部品の詳細については、「材料表」をご参照ください。以下のプロトコルでは、システム電子部品の組み立て(ステップ1)、流体系の組み立て(ステップ2)、滅菌およびプライミング(ステップ3および4)、マイクロ流体細胞培養の統合(ステップ4)、マイクロポンプとコントローラーの組み立て(ステップ5)、およびエンクロージャー内でのシステム全体の組み立て(ステップ6)について説明します。このクローズドループフローシステムは、特製のエンクロージャーを用いてRPMの上に設置され、微小重力をシミュレートしました(ステップ7)。
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1. システム電子回路
2. システム流路の接続
3. 実験準備およびシステムの滅菌
4. システムのプライミングおよびマイクロ流路細胞チャネルの統合
5. マイクロコントローラーおよびマイクロポンプのエンクロージャ(任意)
6. アッパーデッキ取付プレート(オプション)
7. ランダムポジショニングマシン(RPM)への装着
8. フローデータの収集
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以下に述べる流体制御や細胞培養の結果を収集する前に、組み立ておよびプライミング工程全体を通じて、主要なプロトコルのチェックポイントごとにシステムの完全性を確認する必要があります。電子接続は、マイクロコントローラと液流センサをコンピュータに接続し、それぞれのアプリケーションソフトウェアを介して各コンポーネントと通信することで簡単に確認できます。バーブ付き継手でのチューブ接続は、チューブがバーブを越えて押し込まれていれば十分であると見なされます。また、亀裂が一つでも見つかった流体コンポーネントは、直ちに交換してください。システムのプライミング後は、無菌であるだけでなく、目視で気泡がないフローループにする必要があります。気泡が見える場合は、その箇所を軽く叩いて気泡を取り除いてください。
実験装置のセットアップ完了後、システムに漏れがないこと、およびバブルトラップから気泡が排出されていないことを確認するため、24時間の試験期間を開始する前に、フローシステムを1時間運転させ、モニタリングを行う必要があります。さらに、フローシステムを模擬微小重力下で動作させる場合は、フローシステムの装着後に模...
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無重力状態で動作可能で、方向依存性のないクローズドループ・マイクロ流体システムが開発され、生理学的血流条件下での血管内皮細胞の培養に有効であることが示されました。本システムの主要構成要素は、マイクロコントローラー、マイクロポンプ、液体流量センサー、細胞培養用マイクロスライド、およびカスタム3Dプリントされた方向依存性のないバブルトラップです。
本研究で使用したバブルトラップはステレオリソグラフィー樹脂15で製作されていますが、この樹脂は、バイオメディカルグレードであっても17,18、未重合モノマーの事前浸出(プリリーチング)を行わずに使用すると、一般に細胞適合性が低くなります。したがって、システムにバブルトラップを組み込む前に、カスタム製作したバブルトラップ材料からの化学浸出物が細胞生存率を低下させないか評価することが重要です。
細胞適合性のある材料の選択はさてお...
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全方向性バブルトラップは、特許出願 US 18634723 によって保護されています。その他の競合する利益はありません。
本研究は、NASA Space Biology グラント # 80NSSC21K0272 の支援を受けて行われました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 100% エタノール | Fisher Scientific | A4094 | システムの滅菌に使用する70%エタノール溶液の調製に使用(最低35 mL必要) |
| 6 mm 黒色ナイロン製ラウンドスペーサー、外径 7 mm、内径 3.2 mm | Exqutoo | ZH-0050 | トップマウントをエンクロージャーに固定する(最低4個必要) |
| アクリルプレート、長さ75 mm x 幅25 mm | ポリマーサン | ACRCS | エルボ型ルアーアダプターをマイクロチャネルスライドに固定します(最低1個必要) |
| USB 2.0ケーブル A-オス〜ミニBケーブル | Ugreen Group Limited | 10355 | コンピュータをマイコンに接続するため(最低1個必要) |
| バブルトラップ | (カスタム) | マイクロスライドへの気泡の流入を防ぐため(最低1個必要) | |
| バブルトラップホルダー | カスタム | バブルトラップを固定するための3Dプリントホルダー(最低2個必要) | |
| 細胞培養グレードの水 | Fisher Scientific | MT25055CI | 滅菌後、エタノールの残留物をすべて洗い流すために使用する(最低30 mL必要)。 |
| コントローラー、ポンプ、およびエンクロージャーマウント(内部マウント) | カスタム | エンクロージャ内取付プレート(最低1個必要) | |
| クロスバーマウント | カスタム | クロスバー付きエンクロージャ取付プレート(最低1個必要) | |
| DB15ブレイクアウトオス+メスコネクタ | ANMBEST | ANMBEST_MDDB15 | コンピュータをランダムポジショニングマシンに接続し、さらにマイコン(最小必要数 1)に接続するため |
| エルボ型ルアー・バーブコネクタ | ibidi | 10802 | マイクロスライドをフローループに接続する(最低2個必要) |
| 両面フォームテープ | 3M | 4026 | マイクロチャネルスライド上のエルボー型ルアーアダプターの圧縮用(最低1個必要) |
| エンクロージャー (60 mm x 140 mm x 140 mm) | ハモンド | 1554Q2GYCL | マイクロコントローラとマイクロポンプを収容する(最低1個必要) |
| エンクロージャーマウント(ボトムマウント) | カスタム | エンクロージャ下のマウンティングプレート(最低1枚必要) | |
| メス-メスルアーコネクタ | 博鳌 | 博鳌-シリンジ-WAD2354 | 細胞培養培地のプライミング用として、シリンジをエルボ型ルアーコネクタに接続するために使用(最低1個必要) |
| Gibco RPMI 1640 細胞培養培地 | Thermo Fisher | 11875093 | 血管内皮細胞の培養に使用(最低50 mL必要) |
| グロメット, 9/16" 穴の直径および1/8" 厚さ, 1/8" ID | McMaster-Carr | 9307K863 | エンクロージャーへのチューブの導入および排出用(最低8個必要) |
| IDEX P-646 アダプターフィッティング、1/16" バーブから1/4-28への変換アダプター | IDEX | P-646 | フローセンサーをフローループに接続する(最低2個必要) |
| 液体流量センサー | Sensirion | SLF3-1300F | フローデータの収集用(最低1つ必要) |
| 液体流量センサ用固定クランプ | Sensirion | SLF3x マウンティングクランプ | SLF3xマウント(最低2個必要) |
| ルアーロックシリンジ(12 mL) | McKesson | 414624 | 真空プライミング用(最低1個必要) |
| ルアープラグ | Cole-Parmer | UX-50110-33 | 配向独立型バブルトラップの封止用(最低1個必要) |
| M2ステンレス製ナット | VIGRUE | B07PJQC7T6 | 液体フローセンサーをトップマウントに固定する(最低4個必要) |
| M2×8本のステンレス製ネジ | VIGRUE | B07PJQC7T6 | 液体流量センサーをトップマウントに固定する(最低4個必要) |
| M3 オス-メス ナイロン製六角スペーサー・スタンドオフ | メイジュボール | B0GC6GN9S7 | mp-Multiboardを内部マウントに固定する(最低4個必要) |
| M3ナイロンワッシャー | ステムリボル | 7.81573E+11 | エンクロージャを底面マウントに固定する(最低16個必要) |
| M3ステンレス製ナット | VIGRUE | B07PJQC7T6 | エンクロージャーをボトムマウントに、クロスバーをボトムマウントに、ポンプホルダーを内部マウントに固定する(最低16個必要) |
| M3ステンレス製ワッシャー | VIGRUE | B07PJQC7T6 | クロスバーをボトムマウントに、エンクロージャーをボトムおよびインナーマウントに、インテリアマウントをポンプホルダーに固定する(最小必要数 12個) |
| M3×12 ステンレス製ボタンヘッドスクリュー | VIGRUE | B07PJQC7T6 | エンクロージャーを底面マウントに固定する(最低4個必要) |
| M3×12 ステンレス製ソケットキャップスクリュー | 図 | FG001-3 | バブルトラップホルダーをアッパーデッキマウントに固定する(最低2個必要) |
| M3×6 Philipsパンヘッドネジ | Meijubol | B0GC6GN9S7 | mp-Multiboardを内部マウントに固定する(最低4個必要) |
| M3×8 ステンレス製ネジ | VIGRUE | B07PJQC7T6 | クロスバーをボトムマウントに、エンクロージャーを内部マウントに、ポンプホルダーを内部マウントに固定する(最低8個必要) |
| M4ステンレス製ナット | VIGRUE | B07PJQC7T6 | トップマウントをエンクロージャに固定する(最低4個必要) |
| M4ステンレス製ワッシャー | VIGRUE | B07PJQC7T6 | トップマウントをエンクロージャーに固定する(最低4個必要) |
| M4-0.7鋼製ねじ棒 | Arwnnklo | AR01 | 約6インチの長さにカットする(最低4本必要) |
| USB mini-B オス-メス ケーブル | Plinkwirekb | PCM-0725-L | コンピューターをマイコンに接続するため(最低1個必要) |
| USBミニ右アングルコネクタ(オス-メス) | 子宮体内膜癌 | 4326453558 | コンピュータをマイクロコントローラに接続するため(任意)(最低1個必要) |
| マイクロチャネルホルダー | カスタム | マイクロチャネルを中央に保持するための3Dプリント製ホルダー(最低1個必要) | |
| マイクロチャネルスライド µ-スライド VI 0.4 | ibidi | 80606 | 流動下での細胞アッセイ用(最低1つ必要) |
| マイクロポンプ | バーテルズ | MP6-HYB | フロー生成用(最低1つ必要) |
| マイクロポンプホルダー | カスタム | マイクロポンプ固定用マウント器具(最低1個必要) | |
| mp-Highdriver4搭載mp-Multiboard | バーテルズ | BM-E-0005 | マイクロポンプの周波数および電圧設定を制御するため(最低1台必要) |
| mp-ポンプケーブル | Bartels | BM-A-0055 | mp-Multiboardをマイクロポンプに電気的に接続するために使用する(最低1個必要) |
| ナイロン製ラウンドスペーサー、外径 7 mm、内径 3.2 mm | ハーフィントン | 2037015 | マイクロポンプへのチューブ固定用(最低2個必要) |
| Oリング | ZDBB | 7.17327E+11 | オス-メスmini USBケーブルをエンクロージャに固定します(オプション) (最低3つ必要) |
| プラスチック容器 | Herdusa | HDS10 プラスチックボックス | 細胞培養培地のオープンリザーバーとして使用(最低1個必要) |
| ポリウレタンチューブ、1/8インチ" 内径, 1/4" 吸光度 | パーカー | 95U-4-062-BLU-0100 | トップマウントをエンクロージャに固定する(最低1.6 cm必要) |
| ランダムポジショニングマシン | エアバス | ランダムポジショニングマシン 2.0 (最低1台必要) | |
| SCC1-USBケーブル | Sensirion | SCC1-USB 2M | 液体流量センサーをコンピューターに接続する(最低1台必要) |
| 自立型遠心チューブ | PEKYBIO | B0C13GZVD6 | 細胞培養水/70%エタノールの保持に使用(最低2個必要) |
| スペーサー、外径 8 mm、長さ 20 mm、アルミニウム製 | McMaster-Carr | 94669A062 | 最小必要数 4 |
| Tygon PVC 1/16" ID x 1/8" 光学密度 | Saint-Gobain | B-44-3 | すべてのフローループ構成要素を接続します(最低40 cm必要)。 |
| アッパーデッキマウント | カスタム | 液体流量センサーおよびバブルトラップに接続されたマウントプレート(最低1個必要) | |
| 蝶ナット、M4 x 0.7 mm、亜鉛めっき鋼 | Siptenk | S-TH-DLM-002 | トップマウントをエンクロージャに固定する(最低4個必要) |
| 結束バンド | 私をTD(翻訳・提供)してください | 7.32073E+11 | システムをRPMに設置する際にケーブルを固定する(最低4個必要) |
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