Method Article

생리적 맥박성 전단 응력과 진동성 고혈당 하에서 내피 기능 장애를 모델링하는 마이크로플루이딕 시스템

DOI:

10.3791/71037

⸱

May 12th, 2026

 ,  ,  , 
1Institute of Cardio-Cerebrovascular Medicine, Central Hospital of Dalian University of Technology, 2School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, 3School of Biomedical Engineering, Faculty of Medicine, Dalian University of Technology, 4Key Laboratory of Integrated Circuit and Biomedical Electronic System, Dalian University of Technology

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기서는 내피세포를 동기화된 진동성 고혈당과 맥동성 전단 스트레스에 노출시키는 마이크로유체 시스템을 제작하고 작동시키는 프로토콜을 제시합니다. 이 접근법은 당뇨병 내피 기능 장애 연구를 위한 생리학적으로 적합한 시험관 내 모델을 제공합니다. 이 프로토콜은 산화 스트레스와 내피 세포 반응의 정량적 측정을 가능하게 합니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

당뇨병 혈관 합병증에서 내피 기능 장애는 대사 장애, 특히 진동성 포도당(OG)과 맥동성 전단 스트레스(PSS) 간의 복잡한 상호작용을 포함합니다. 이러한 요인들은 개별적으로 연구되었으나, 기존 모델은 여전히 정적인 고혈당 또는 단순화된 층류에 국한되어 있으며, 당뇨병 혈관에서 발견되는 통합된 시공간적 결합을 모방할 능력이 부족합니다. 프로그래밍 가능한 마이크로플루이딕 플랫폼을 활용하여 이 프로토콜은 동기화 진동성 고혈당과 생리적 PSS가 내피 세포에 미치는 통합적 영향을 조사할 수 있는 귀중한 플랫폼을 제공합니다. 이 프로토콜은 생리학적으로 관련된 결합된 대사 및 기계적 조건 하에서 내피 기능 장애를 모델링하는 것을 목표로 합니다. 압력 제어 시스템과 결합된 폴리디메틸실록산(PDMS) 칩의 사용은 유동 파형과 포도당 농도 프로파일의 정밀하고 독립적인 변조를 가능하게 합니다. 시스템의 혈역학적 충실도는 마이크로입자 영상 속도계(Micro-PIV)로 검증되며, 세포 반응은 세포 내 활성 산소종(ROS) 수치와 세포 생존 가능성을 모니터링하여 정량적으로 특징지어집니다. 대표적인 결과는 생리학적 PSS가 OG에 의해 유발되는 산화 손상을 효과적으로 완화한다는 것을 보여줍니다. 이 효과는 세포 내 ROS 감소와 결합 자극 조건 하에서의 세포 생존력 향상으로 입증됩니다. 연구 질문에 따라 전단 응력 패턴, 포도당 진동 주파수, 채널 기하학과 같은 매개변수를 조정할 수 있습니다. 이 방법은 당뇨병 혈관 질환에 대한 기계적 생물학적 경로의 기전적 연구와 치료 중재를 위한 약물 스크리닝에 다용도로 활용됩니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

내피 기능 장애는 대사 장애와 비정상적인 혈역학적 힘에 의해 유발되는 당뇨병 혈관 합병증의 초기 발생에 중요한 사건입니다(1,2). OG 수치는 지속성 고혈당만이 아니라 내피세포에서 산화 스트레스와 염증 신호를 강력하게 유발하는 요인으로 점점 더 인식되고 있으며, 이는 혈관 손상과 항상성 장애를 초래합니다 3,4,5. 동시에 혈역학적 전단 응력은 내피 표현형의 주요 결정 요인이며, 생리적 운동 조건에서 PSS는 산화질소 생성, 항산화 방어 및 혈관 보호를 촉진합니다 6,7,8. 따라서 진동성 고혈당과 혈역학적 자극의 통합적 효과를 이해하는 것은 내피 기능 장애의 기전을 밝히는 데 필수적입니다.

정적인 고포도당 조건이나 단순화된 층류 방식에 의존하는 ....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

윤리 진술:

참고: 이 프로토콜에서 사용되는 모든 시약, 장치 및 소프트웨어는 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 마이크로플루이딕 칩 제작

  1. 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어를 사용해 마이크로플루이딕 칩의 구조(W x L x H = 2 mm x 30 mm x 0.1 mm, 그림 1A)를 설계하고, 상업 업체를 통해 SU-8 마스터 몰드를 제작하세요.
  2. PDMS 경화제와 프리폴리머를 무게 대비 10:1 비율로 깨끗한 믹싱컵에 섞고 5분간 세게 저어줍니다.
  3. 혼합 과정에서 갇힌 기포를 제거하기 위해 -0.08 MPa 이하의 진공 챔버에 최소 15분간 보관하세요.
    참고: 기포 제거를 신속히 하고 넘침을 방지하기 위해, 챔버를 임시로 대기압으로 환기시켜 큰 기포를 터뜨린 후 즉시 진공을 다시 적용하세요. 이 배출 사이클을 2–3번 반복하여 벌크 혼합물이 완전히 투명해지고 거시적 기포가 사라질 때까지 반복합니다.
  4. PDMS를 유리 페트리 접시에 놓은 웨이퍼....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

마이크로-PIV 마이크로 유체 채널 내 유동장 검증
그림 1D 는 결합된 대사 및 기계적 자극에 대한 내피 반응을 조사하는 데 사용되는 마이크로플루이딕 플랫폼의 개요를 제공합니다. 이 시스템은 직선 채널 PDMS 마이크로플루이딕 칩과 압력 구동 흐름 제어 모듈을 통합하여 OG 조건과 생리학적 PSS를 함께 적용할 수 있게 합니다. 프로그래밍 가능한 밸브 전환 전략을 사용하여 NG와 HG 매체 간 주기적 교대를 생성하고, 펄서틸 유동 파형은 컴퓨터 제어 압력 조절을 통해 동기화되었습니다.

마이크로플루이딕 시스템의 혈역학적 충실도를 검증하기 위해 마이크로채널 내 흐름 특성을 Micro-PIV를 이용해 정량적으로 분석하였습니다. 이 ROI 내에서 측정된 실제 유량은 프로그래밍된 입력 파형과 밀접하게 일치하는 안정적이고 반복 가능한 진동.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기서 설명하는 마이크로유체 시스템은 OG와 PSS가 내피 세포 기능에 미치는 통합적 효과를 조사할 수 있는 견고하고 생리학적으로 적합한 플랫폼을 제공합니다. 이 방법의 주요 장점은 정의된 미세 환경 내에서 기계적 및 생화학적 자극을 정밀하게 제어하고 분리할 수 있다는 점에 있습니다. 혈역학적 힘이 없는 기존 정적 배양이나 세포 수준신호전달을 종종 가리는 동물 모델과 달리, 이 프로토콜은 흐름 패턴과 포도당 농도 프로파일을 독립적으로 조절할 수 있게 합니다20,21. 대사 장애와 혈역학적 힘 간의 역동적 상호작용을 재현함으로써, 이 시스템.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자들은 이해 충돌이 없음을 선언한다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 중국국가자연과학기금(보조금 번호 12372304, 12172081)과 중앙대학 기초 연구 기금(DUT25YG272)의 지원을 받았습니다.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
0.25% 트립신-EDTANEST 바이오테크놀로지 주식회사211052세포 해리
1 mL 주사기상하이 정방 의료과학 유한회사.1mL액체 주입
60mm 배양 접시NEST 바이오테크놀로지 주식회사705001세포 배양
90° 각진 스테인리스 스틸 커넥터뤄양 마이어 무역유한회사.1.3mm어댑터 밀봉 장치
AutoCAD 소프트웨어오토데스크리드:SCR_014981컴퓨터 지원 설계 소프트웨어
붕소화 유리병후난 아이데테 과학 기기 유한회사.더블 패스 100mL저수지
칼세인-AM/PI 키트비요타임BYT-C2015착색
세포 인큐베이터ESCO에스코 셀마테세포 배양
셀록스 딥 레드인비트로젠C10422착색
D-포도당시그마 올드리치47249포도당
D-만니톨맥클린M813423삼투압 균형
다이내믹스튜디오단텍 다이내믹스V8.6PIV 분석 소프트웨어
태아 소 혈청(FBS)깁코14190-094매체
피브로넥틴시그마 올드리치F-2006세포 부착
형광 미세입자써모 사이언티픽G0100마이크로 PIV
유리 커버슬립시토테스트 사이언티브 주식회사#1마이크로플루딕 칩
고혈당 DMEM솔라비오12100매체
고속 카메라단텍 다이내믹스플로우센스 EO마이크로 PIV
이미지JNIH리드:SCR_003070이미지 처리 소프트웨어
역형광현미경올림포스IX73세포 생존 가능성
역형광현미경올림포스IX83관찰 및 획득
저혈당 DMEM솔라비오31600매체
기원오리진랩RRID:SCR_014212데이터 분석 및 그래프 작성 소프트웨어
PDMS다우 주식회사.184마이크로플루딕 칩
페니실린/스트렙토마이신 (P/S)NEST 바이오테크놀로지 주식회사211092매체
인산 완충 식염수(PBS)NEST 바이오테크놀로지 주식회사211031세포 배양
플라즈마 클리너자룬 완펑 테크놀로지 유한회사.PC-6D마이크로플루딕 칩
프로그래머블 압력 제어 시스템엘베시OB1 MK4흐름 제어
실리콘 튜브난징 룬제 유체제어 장비 유한회사.964101mm*3mm
SU-8 마스터 몰드보아오 생물학 그룹 유한회사해당 없음마이크로플루딕 칩
밸브 컨트롤러엘베시MUX 와이어 V3흐름 제어

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Zhang, H., Dellsperger, K. C., Zhang, C. The link between metabolic abnormalities and endothelial dysfunction in type 2 diabetes: An update. Basic Research in Cardiology. 107 (1), 237(2011).
  2. Yang, D. R., Wang, M. Y., Zhang, C. L., Wang, Y.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Endothelial DysfunctionMicrofluidic SystemPulsatile Shear StressOscillatory HyperglycemiaDiabetic Vascular DiseasePolydimethylsiloxane ChipPressure Driven ControlMicro Particle Image VelocimetryReactive Oxygen SpeciesCell Viability
Video Coming Soon

Related Articles