$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Preferowany ruch komórek w kierunku gradientu stężeń, znany jako chemotaksja, odgrywa ważną rolę w procesach patologicznych i fizjologicznych w organizmie. Takimi przykładami są gojenie się ran skóry i błony śluzowej1, morfogeneza2, stan zapalny3 i wzrost guza4,5. Wykazano również, że komórki nowotworowe mogą migrować zarówno poprzez indywidualne, jak i zbiorowe strategie migracji komórek6. Co więcej, mechanizmy niestabilności dyfuzyjnej mogą indukować oddzielanie pojedynczych lub skupionych komórek od ciała/obiektu nowotworowego, a następnie mogą migrować w kierunku źródła składników odżywczych, a tym samym atakować szersze obszary i tkanki7.
Ponadto wykazano, że różne mechanizmy migracji mogą być aktywne w 2D i 3D, ze względu na różne role cząsteczek adhezyjnych8. W związku z tym przejście na fizjologicznie istotne testy in vitro w celu zbadania ruchliwości komórek w mierzalny i prosty sposób ma znaczenie dla zrozumienia zjawisk ruchu komórek9. Niestety, trudność w analizie migracji komórek, kompleksowy, ilościowy test chemotaksji zwykle wymaga długiej, pracochłonnej metody, opartej na pomiarze bezstronnych modeli ruchliwości komórek i zjawisk transportowych.
Wcześniejsze eksperymentalne podejścia do badania chemotaksji komórek obejmują komorę Boydena10 i test pod agarozą11. Jednak w tych wczesnych testach eksperymenty z migracją komórek nie monitorowały ruchu w odniesieniu do czasu. Co ważniejsze, gradienty stężeń użyte w eksperymentach nie były dobrze zdefiniowane ani w pełni zrozumiałe, a sygnalizacja utrzymywała się tylko przez nie więcej niż kilka godzin. Co więcej, wczesne próby komory chemotaksji ograniczyły migrację komórek do dwóch wymiarów i nie pozwoliły na monitorowanie kinetyki migracji12. Patrząc na komorę Boydena, test końcowy nie pozwoliłby badaczowi na wizualną obserwację migracji i nie mógłby bezpośrednio odróżnić chemotaksji (ruchu kierunkowego) od chemokinezy (ruchu losowego). Dodatkowo, kilka zmiennych – różnice w wielkości porów i grubości błon – sprawiło, że komora była bardzo trudna do łatwego odtworzenia i ukryła reakcję migracyjną komórek na chemokiny13,14.
Dzięki nowemu zrozumieniu mikrofluidyki, nowe komory i mikrourządzenia zostały zbadane jako instrument do badania lokomocji komórek w warunkach przepływu śródmiąższowego lub chemotaksji15,16. W ramach tych nowych urządzeń wprowadzono i zbadano nowe wskaźniki ogniw, takie jak wpływ naprężeń ścinających na ogniwo17,18. Niestety, przeszłe i obecne komory chemotaksji mikroprzepływowej ograniczały badania migracji komórek do substratów 2D - co jest ważnym niepowodzeniem, ponieważ wiele procesów biologicznych, w tym inwazja i przerzuty komórek nowotworowych oraz migracja komórek odpornościowych, obejmuje migrację 3D.
Bezpośrednie komory obserwacyjne - gdzie roztwór chemoatraktantu styka się z żelem 3D zawierającym komórki, również zostały zgłoszone19,20. Komory te mają dwa przedziały, jeden zawierający chemoatraktant, a drugi zawierający komórki, są połączone obok siebie poziomo21 lub jako koncentryczne pierścienie22. Systemy te są skierowane we właściwym kierunku, ale nie utrzymują systemu chemotaksji przez dłuższy czas.
Ponadto, naukowcy badali również dyfuzyjność przez błony kolagenowe w komórkach dializacyjnych, a także dyfuzję cząsteczek znacznikowych przez próbki kolagenu poddane ciśnieniu hydrostatycznemu23-25. Niektóre eksperymenty dyfuzyjne w żelach kolagenowych opierają się na fizycznych i chemicznych modyfikacjach żelu przy użyciu pól magnetycznych i inkorporacji chemicznej26. Popularna metoda modelowania dyfuzyjności w tkankach kolagenowych opiera się na obrazowaniu fluorescencyjnym ciągłego fotowybielania punktowego. Metoda ta wykazała anizotropię współczynników dyfuzji makrocząsteczek w zorientowanych tkankach kolagenowych. Jednak fotowybielanie było stosowane w chrząstkach stawowych, a nie w matrycach kolagenowych. Chociaż są podobne, niezbędne eksperymenty modelowe muszą być przeprowadzone poprzez dokładne zrozumienie współczynnika dyfuzji żeli kolagenowych. Co ważniejsze, systemy te nie wykorzystują metody pomiaru siły wytwarzanej przez ogniwo.
Niestety, większość systemów wydaje się brakować jednego lub dwóch kluczowych elementów idealnego systemu: umożliwienia śledzenia komórek, zrozumienia gradientu dyfuzji z czynnikiem chemotaktycznym przez matrycę, stosunkowo prostej konfiguracji z łatwością odtwarzalności, minimalizacji interakcji komórka-komórka oraz możliwości mierzenia jednostek wymiarowych do kwantyfikacji (tj. prędkość, siła, stężenie właściwe). Moghe i wsp.W ramach projektu 27 zaproponowano system, który spełniałby większość tych wymagań, w którym komórki były początkowo rozproszone w żelu, a nie skoncentrowane na powierzchni filtra, ale trudno było zmierzyć siły generowane przez ogniwo.
W tym celu prezentujemy system dyfuzji gradientu płaskiego do badania chemotaksji w matrycy kolagenu 3D, który pozwala przezwyciężyć ograniczenia nowoczesnej komory dyfuzyjnej istniejących testów, która opiera się na mikroskopii poklatkowej, w połączeniu z technikami analizy obrazu do pomiaru sił komórek w środowisku 3D. Protokół ten zapewnia prosty, ale innowacyjny sposób tworzenia prostej komory dyfuzyjnej 3D, która może być wykorzystana do badania chemotaksji 3D w różnych komórkach.