Het ontwerpen van microfluïdische apparaten voor het bestuderen van cellulaire reacties Onder Single of bestaande chemische / Elektro / Shear Stress Stimuli
13 augustus 2016
Micro-gefabriceerde apparaten geïntegreerd met vloeistofcomponenten bieden een in vitro platform voor celstudies die het in vivo micro-milieu nabootsen. We ontwikkelden op polymethylmethacrylaat gebaseerde microfluïdische chips voor het bestuderen van cellulaire reacties onder enkele of naast elkaar bestaande chemische/elektrische/schuifspanningsstimuli.
Het algemene doel van deze procedure is om microfluïdische apparaten te ontwerpen en te fabriceren voor het observeren hoe cellen reageren op omgevingsstimuli.Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in de celbiologie en biomedische techniek.Zoals hoe cellen reageren onder verschillende omgevingsstimuli, inclusief chemicaliën, schuifspanningen en elektrische velden.Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat buizen gemakkelijk kunnen worden vervaardigd en geassembleerd.En deze microfluïdische apparaten kunnen de in-vivo omstandigheden met zeer hoge capaciteiten creëren.De procedure wordt gedemonstreerd door Tzu-Yuan Chou, een student aan mijn lab, en Hsien-San Hou, een post-doc van Dr. Julian Chung's lab.Om te beginnen, zet de koolstofdioxide laser graveerder aan en controleer de verbinding met de computer.Laad vervolgens een vooraf getekend kerstboompatroon, zoals een van de hier getoonde patronen, in de graveerder.Plaats vervolgens een PMMA-plaat of stuk dubbelzijdig plakband op de tafel van de graveerder.Pas de focus van de koolstofdioxide laser aan met behulp van de kalibratiebalk en de zichtbare helium-neon laser.Graaf vervolgens het patroon op het substraat.Wanneer u klaar bent, neemt u het patroonsubstraat, verwijdert u de ongewenste stukken en gebruikt u een stroom stikstof om het oppervlak te reinigen van eventuele resterende puin.Herhaal dit proces voor elk onderdeel van de chip.Assembleer de chemische schuifspanningsmicrofluïdische chip.Om dit te bereiken, bevestigt u drie vellen van de chemische schuifspanning gepatternde PMMA-vellen met behulp van twee stukken gesneden dubbelzijdig plakband.Gebruik superlijm om acrylische adapters met schroefdraad in het midden aan de bovenste PMMA-laag van de chip te bevestigen door de schroefdraad en de gaten uit te lijnen.Deze adapters zullen dienen als medium inlaatuitlaten en zoutboogconnectoren.Voeg vervolgens nog een stuk 07 mm dik dubbelzijdig plakband toe aan de onderkant van de chip en bevestig de chip aan een 10 cm diameter petrischaal.Na assemblage, plaats de chip voor een nacht in een vacuümkamer.Assembleer nu de chemische-elektrische veldchip.Bevestig het gesneden PMMA-blad voor de chemische-elektrische veldchip met dubbelzijdig plakband op een 10 cm diameter petrischaal.Voordat u de chips gebruikt, stelt u ze 30 minuten bloot aan UV om ze te steriliseren.Verbind vervolgens de inlaten van de chips via plastic buizen en vingervaste moeren aan 3 ml PBS-gevulde spuiten.Op dezelfde manier verbindt u de uitlaten met een afvalbuis.Druk langzaam op de plunjer van de spuit om de vloeistofkanalen met PBS te primen.Druk de spuit heen en weer om luchtbellen te verwijderen, en plaats de chips vervolgens een nacht in een incubator.Om de chemische-elektrische veldchips op te zetten, vult u 3% agaros in de buisvormige moeren om de zoutboogjes op te zetten.Plaats vervolgens de zilver-zilverchloride elektroden in de buisvormige moeren.Laat longkanker CL1-5 cellen groeien in D-MEM aangevuld met 10%FBS totdat ze 90% confluency bereiken.Zuig vervolgens het medium af.Was de cellen eenmaal met voorverwarmd PBS.En voeg 2 ml van een 05% trypsine bufferoplossing toe aan een 10 cm diameter plaat.Plaats de cellen terug bij 37
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert micro-gefabriceerde apparaten geïntegreerd met vloeistofcomponenten die een in vitro platform voor celstudies creëren, waarbij de in vivo micro-omgeving nauw wordt nagebootst. Het onderzoek richt zich op op polymethylmethacrylaat gebaseerde microfluïdische chips die zijn ontworpen om cellulaire reacties op verschillende stimuli te onderzoeken.
Belangrijkste onderdeel van het onderzoek
Wetenschapsgebied
- Microfluïdica
- Cellulaire biologie
- In vitro studies
Achtergrond
- Micro-gefabriceerde apparaten verbeteren de studie van cellulaire omgevingen.
- Vloeistofcomponenten maken nauwkeurige controle van experimentele omstandigheden mogelijk.
- Het begrijpen van cellulaire reacties is cruciaal voor verschillende biologische toepassingen.
- Polymethylmethacrylaat is een veelzijdig materiaal voor microfluïdische toepassingen.
Doel van het onderzoek
- Om een platform te ontwikkelen voor het bestuderen van cellulaire reacties in een gecontroleerde omgeving.
- Om in vivo omstandigheden te nadoen met behulp van microfluïdische technologie.
- Om de effecten van chemische, elektrische en afschuifspanningsstimuli op cellen te onderzoeken.
Gebruikte methoden
- Ontwerp en fabricage van microfluïdische chips met behulp van polymethylmethacrylaat.
- Integratie van vloeistofcomponenten voor verbeterde experimentele controle.
- Toepassing van verschillende stimuli om cellulaire reacties te beoordelen.
- In vitro experimenten om in vivo omstandigheden te simuleren.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle ontwikkeling van microfluïdische chips voor cellulaire studies.
- Aangetoond vermogen om omgevingscondities effectief te beheersen.
- Waargenomen verschillende cellulaire reacties op verschillende stimuli.
- Biedt inzichten in de interacties tussen cellen en hun micro-omgeving.
Conclusies
- Het microfluïdische platform is een waardevol hulpmiddel voor het bestuderen van cellulair gedrag.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van cellulaire reacties in een gecontroleerde omgeving.
- Toekomstige toepassingen kunnen geneesmiddeltesten en ziektemodellering omvatten.
Veelgestelde vragen
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
