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.
Method Article
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.
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.
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 기존 시험관 내 모델은 생체 내 대사 및 기계적 신호 간의 복잡하고 역동적인 상호작용을 재현하지 못합니다. 동물 모델은 당뇨병의 전신적 측면을 포착하지만, 통제된 미세 환경 조건에서 신호를 해부하는 데 필요한 세포 수준의 해상도는 부족하다12. 마이크로플루이딕 기술은 생화학 및 생역학적 자극을 생리학적으로 중요한 기하학에서 정밀한 시공간적 제어를 제공하는 효과적인 대안을제공하며, 다양한 혁신적인 생의학 응용 분야에서 중요한 최근 발전을 이끌어냈습니다14,15. 예를 들어, Chen 등은 공간 및 시간적 벽 전단 응력과 ATP 신호를 이용한 마이크로플루이딕 장치를 설계하여 내피세포 내 Ca2+ 역학을 연구하였습니다. Yu 등은 생리적 PSS와 높은 포도당 농도의 다양한 조합에서 세포 반응을 감지하기 위한 혈역학적 마이크로유체 칩 시스템을 개발했습니다. 이들 시스템은 전단 스트레스나 단일 요인 대사 교란에 대한 내피 반응을 연구하는 데 사용되었지만, 포도당 진동과 PSS를 모두 단일 시스템 내에 성공적으로 통합한 것은 드물다. 따라서 두 요소를 제어된 마이크로플루이딕 환경에서 동기화하는 표준화되고 재현 가능한 프로토콜이 부족합니다.
이 방법은 결합된 OG와 PSS를 제공할 수 있는 재현 가능한 마이크로유체 시스템을 구축함으로써 이 격차를 해소합니다. 이 접근법의 주요 목표는 산화 스트레스, 세포 생존력 저하 및 내피 기능 장애의 기계생물학적 반응을 생리학적으로 관련성 있게 모델링하는 것입니다. 정적 배양이나 기존 관류 챔버와 달리, 이 접근법은 기존 모델을 개선하여 대사 및 기계적 자극을 동시에 조절할 수 있게 하여 당뇨병 혈관 미세환경을 더 가깝게 유사하게 합니다. 더불어 이 시스템은 생세포 영상, 실시간 모니터링, 분자 분석과 호환되어, 기전 연구, 질병 모델링, 내피 기능 및 손상에 대한 약물 선별 등 다양한 응용 분야에 적합합니다.
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윤리 진술:
참고: 이 프로토콜에서 사용되는 모든 시약, 장치 및 소프트웨어는 재료표에 나열되어 있습니다.
1. 마이크로플루이딕 칩 제작
2. 내피세포 준비 및 시딩
3. 동적 자극 설정
4. 유동 필드 검증을 위한 마이크로-PIV
5. 데이터 수집
참고: 칼세인-AM/프로피디움 요오다이드(PI) 키트와 생세포 산화 스트레스 형광 탐침을 사용하여 혈당 변동으로 인한 손상을 확인하고 공동 자극의 효과를 평가하기 위해 세포 생존 가능성과 기능을 정량화합니다.
6. 데이터 분석
일시정지: 모든 원시 형광 이미지와 고속 카메라 이미지를 수집하여 하드 드라이브에 안전하게 저장하면, 이후 이미지 처리, 정량 분석 및 통계 비교를 일시정지하고 나중에 언제든지 수행할 수 있습니다.
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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...
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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...
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저자들은 이해 충돌이 없음을 선언한다.
이 연구는 중국국가자연과학기금(보조금 번호 12372304, 12172081)과 중앙대학 기초 연구 기금(DUT25YG272)의 지원을 받았습니다.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 0.25% Trypsin-EDTA | NEST Biotechnology Co., Ltd. | 211052 | 세포 분리 |
| 1 mL 주사기 | Shanghai Zhengbang Medical Science Co., Ltd. | 1mL | 유체 주입 |
| 60 mm 배양 접시 | NEST Biotechnology Co., Ltd. | 705001 | 세포 배양 |
| 90° 각도 스테인리스 강 커넥터 | Luoyang Mayer Trading Co.,Ltd. | 1.3 mm | 어댑터 밀봉 장치 |
| AutoCAD 소프트웨어 | Autodesk | RRID:SCR_014981 | 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어 |
| 붕소화 유리 병 | Hunan Aidete Scientific Instruments Co., Ltd. | Double-pass 100mL | 저장소 |
| Calcein-AM/PI Kit | Beyotime | byt-c2015 | 염색 |
| 세포 배양기 | ESCO | Esco CelMate | 세포 배양 |
| CellROX Deep Red | Invitrogen | C10422 | 염색 |
| D-glucose | Sigma Aldrich | 47249 | 포도당 |
| D-mannitol | Macklin | M813423 | 삼투압 균형 |
| DynamicStudio | Dantec Dynamics | V8.6 | PIV 분석 소프트웨어 |
| 태아 우 혈청 (FBS) | Gibco | 14190-094 | 배지 |
| Fibronectin | Sigma Aldrich | F-2006 | 세포 접착 |
| 형광 마이크로 입자 | Thermo Scientific | G0100 | 마이크로 PIV |
| 유리 커버슬립 | Citotest Scientific Co.,Ltd. | #1 | 마이크로 유체 칩 |
| 고당 DMEM | Solarbio | 12100 | 배지 |
| 고속 카메라 | Dantec Dynamics | FlowSense EO | 마이크로 PIV |
| ImageJ | NIH | RRID:SCR_003070 | 이미지 처리 소프트웨어 |
| 거꾸로 된 형광 현미경 | Olympus | IX73 | 세포 생존율 |
| 거꾸로 된 형광 현미경 | Olympus | IX83 | 관찰 및 획득 |
| 저당 DMEM | Solarbio | 31600 | 배지 |
| Origin | OriginLab | RRID:SCR_014212 | 데이터 분석 및 그래핑 소프트웨어 |
| PDMS | Dow lnc. | 184 | 마이크로 유체 칩 |
| 페니실린/스트렙토마이신 (P/S) | NEST Biotechnology Co., Ltd. | 211092 | 배지 |
| 인산염 완충액 생리식염수 (PBS) | NEST Biotechnology Co., Ltd. | 211031 | 세포 배양 |
| 플라즈마 청소기 | Jiarun Wanfeng Technology Co., Ltd. | PC-6D | 마이크로 유체 칩 |
| 프로그래머블 압력 제어 시스템 | Elvesys | OB1 MK4 | 흐름 제어 |
| 실리콘 튜브 | Nanjing Runze Fluid Control Equipment Co., Ltd. | 96410 | 1mm*3mm |
| SU-8 마스터 몰드 | Boao Biology Group Co. Ltd. | N/A | 마이크로 유체 칩 |
| 밸브 컨트롤러 | Elvesys | MUX Wire V3 | 흐름 제어 |
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