Analiza wymagań użytkowników w zakresie narzędzi do tworzenia ran komórkowych
Obecna metoda doświadczalna tworzenia ran komórkowych wymaga dalszego udoskonalenia, aby rozwiązać liczne problemy ograniczające biologiczną powtarzalność, odporność, ekonomię oraz komfort użytkowania testu gojenia ran komórkowych. Wykorzystaliśmy metodę drabinkową (hard laddering) do analizy potrzeb użytkowników zaangażowanych w eksperymenty biologiczne za pomocą kwestionariuszy29 (Rycina 1A). Informacje zawarte w kwestionariuszu, takie jak nazwiska, zostały zanonimizowane w celu ochrony prywatności respondentów. Szczegóły kwestionariusza przedstawiono w Tabeli 1. W ciągu 6 tygodni badania objętego grupą 100 osób otrzymano 97 w pełni wypełnionych kwestionariuszy, wykluczając 3 kwestionariusze budzące wątpliwości lub nieprawidłowe; wskaźnik odpowiedzi wyniósł 97,00%.
Wyniki pokazują, że najpoważniejszymi problemami w teście gojenia ran komórkowych były poszarpane krawędzie (brak linii prostej) oraz niestabilna szerokość lub powierzchnia ran, co stanowiło odpowiednio 55,67% i 29,90%. Wartości te były istotnie wyższe niż w przypadku niskiego tempa wzrostu komórek, kontaminacji komórek oraz innych opcji, które wyniosły odpowiednio 3,09%, 5,15% i 6,19% (p < 0,001, Rysunek 1B). W odniesieniu do wyboru narzędzi do tworzenia ran, znacznie częściej stosowano końcówki do pipet niż inserty do hodowli komórkowej (Rysunek 1C). Wynikało to głównie z faktu, że inserty do hodowli komórkowej są dość kosztowne i jednorazowe (Rysunek 1D), podczas gdy końcówki do pipet są tanie, wykazują powtarzalność eksperymentalną (6,59%) i zapewniają żywotność komórek (20,88%, Rysunek 1E). Co istotne, aż 69,23% użytkowników stwierdziło, że cena insertów do hodowli komórkowej przekraczała ich budżet (Rysunek 1D). W przeciwieństwie do tego, tylko 6 osób wybrało inserty do hodowli komórkowej, z czego jedynie 16,67% uznało ich cenę za akceptowalną (Rysunek 1F). Wreszcie, w kwestii innowacyjnego narzędzia do generowania ran komórkowych, 86,60% respondentów wyraziło optymizm, podczas gdy jedynie niewielka liczba użytkowników była niechętna (4,12%, Rysunek 1G).
Następnie przeanalizowano funkcje produktu, których użytkownicy potrzebowali najpilniej30,31,32. Funkcje te obejmowały proste krawędzie ran, stabilną szerokość i powierzchnię ran, wysoką powtarzalność oraz przystępną cenę. W związku z tym podjęto kolejne działania projektowe.
Decyzja dotycząca projektowania elementów i materiałów użytych do opracowania skrobaka do komórek
Powyższe dane wskazują, że materiały laboratoryjne stosowane w rutynowych badaniach biologicznych muszą być ściśle sterylne, aby uniknąć kontaminacji komórek33. Z tego względu proponowany skrobak do komórek powinien być sterylny. Chociaż narzędzia jednorazowe mogłyby zostać wysterylizowane tlenkiem etylenu, koszty eksperymentu nieuchronnie by wzrosły34,35,36. Dlatego zamiast materiałów jednorazowych proponujemy zaprojektowanie skrobaka do komórek z materiału wielokrotnego użytku, wykazującego wysoką tolerancję na sterylizację parową pod wysokim ciśnieniem (121.3 °C), aby obniżyć koszty i zwiększyć elastyczność zastosowania w różnych przypadkach37. Aby spełnić te wymagania, materiał użyty do konstrukcji skrobaka do komórek musi posiadać określone cechy fizyczne i chemiczne, w tym odporność na wysoką temperaturę, wysokie ciśnienie oraz korozję wywołaną parą wodną.
W przypadku planowanego zastosowania skrobaka do komórek, poza spełnieniem podstawowych funkcji, takich jak tworzenie ran o prostych krawędziach, urządzenie powinno posiadać atrakcyjny design i kolorystykę. Pod względem modelowania, biorąc pod uwagę cele i obszary zastosowań, ogólny styl powinien być dostosowany do warunków laboratoryjnych. Wygląd nie może być zbyt krzykliwy, aby nie utrudniać personelowi obserwacji przebiegu eksperymentu. Ponadto rozmiar skrobaka powinien być odpowiedni do płytek 6-dołkowych, a jego powierzchnia powinna posiadać wypustkę umożliwiającą stabilne chwytanie pęsetą.
CMF w projektowaniu jest krytycznym aspektem projektowania produktów, wpływającym na estetykę i doświadczenia użytkownika. Wybór kolorystyki oddziałuje na reakcje emocjonalne, dobór materiałów wpływa na funkcjonalność i zrównoważony rozwój, a wykończenie determinuje odczucia dotykowe oraz atrakcyjność wizualną. Projektanci CMF harmonizują te elementy, biorąc pod uwagę trendy rynkowe i tożsamość marki, aby tworzyć produkty, które trafiają do użytkowników.
Zgodnie z teorią CMF, w celu określenia ich wpływu na funkcjonalność i efekt wizualny, rozważono trzy krytyczne czynniki: kolor, materiał oraz proces wykańczania24. W pierwszej kolejności dokonano wyboru koloru. W tym kontekście kolor odnosi się do koloru wewnętrznego, czyli naturalnego koloru obiektu lub substancji w standardowych warunkach oświetleniowych, bez wpływu zewnętrznych źródeł światła lub odbić. Biorąc pod uwagę, że płytka sześciodołkowa jest wykonana z PP z przezroczystą powierzchnią, jako kolor wewnętrzny wybrano ciemnoszary. Wybór ten podyktowano łatwością identyfikacji i obsługi, ponieważ ciemnoszary zapewnia optymalny kontrast i widoczność przy nałożeniu innych kolorów. Ponadto ciemnoszary rzadziej powoduje zniekształcenie kolorów przy połączeniu z innymi barwami, co jest również kluczowe dla obserwacji. Istotne elementy funkcjonalne dodatkowo wyróżniono kolorem czarnym (Rycina 2A).
Komercyjny system dopasowania kolorów wybrano jako standard do wyboru barw ze względu na jego powszechną akceptację i zastosowanie w różnych branżach. Opierając się na zdolności firmy do reprodukowania spójnych kolorów w różnych mediach, system ten został wybrany do badania, ponieważ jest to kluczowe dla zapewnienia dokładnej i jednolitej reprezentacji kolorystycznej.
Wybór materiałów został dokonany na podstawie wspomnianych wyników ankiet. Obudowa i elementy skrobaka zostały wykonane z tworzywa termoodpornego, polipropylenu (PP), aby spełnić wymóg sterylizacji w autoklawie, jak pokazano na przykładzie na Rysunku 2B. Stal wysokowęglowa jest odpowiednia do produkcji sprężyn, ponieważ jest stabilna w warunkach wysokich i niskich temperatur oraz odporna na korozję w środowisku laboratoryjnym. Do amortyzacji wykorzystano gąbki o wysokiej gęstości, które umieszczono na końcu prowadnicy.
Na koniec opracowano proces wykańczania. Ponieważ skrobacz do komórek jest często używany i łatwo ulega zanieczyszczeniu, a jakość powierzchni wpływa na sterylizację, w przypadku skrobacza preferowana jest powierzchnia gładka i błyszcząca, co pomaga użytkownikowi w szybkim zidentyfikowaniu źródła zanieczyszczenia i wyeliminowaniu go, dając poczucie czystości. Końcówki są częściowo szlifowane, aby uniknąć uszkodzenia dna naczynia hodowlanego, co mogłoby wpłynąć na środowisko hodowli i doprowadzić do ograniczenia proliferacji komórek38.
Projekt i prototyp skrobaka do komórek
Na podstawie wspomnianych powyżej wyników zaprojektowano trzy prototypy skrobaka do komórek (Rysunek 3A). Badania wykazują, że najczęściej stosowane rany komórkowe w płytkach hodowlanych miały kształt krzyża39, co znacząco różni się od prototypu I, w którym tworzono rany prostokątne; w związku z tym prototyp I został odrzucony (Rysunek 3A). Chociaż prototypy II i III mogły tworzyć obszary wolne od komórek w kształcie krzyża, prowadnica prototypu II była trudna do zamocowania w naczyniach hodowlanych, a jego konstrukcja była dość skomplikowana (Rysunek 3A). Po wnikliwych dyskusjach prototyp III został wybrany jako model końcowy do produkcji skrobaka do komórek.
Warto zauważyć, że ze względu na to, iż kształt końcówek mógł bezpośrednio wpływać na obszar wolny od komórek pod kątem krawędzi i rozmiarów, zaprojektowano trzy szkice do wyboru. Szkic I posiadał ostrą końcówkę, która mogłaby zapewnić bardzo proste krawędzie; jednakże interfejs hodowlany umożliwiający proliferację komórek mógłby zostać uszkodzony, gdyby końcówki były zbyt ostre (Rysunek 3B). Szkic II oferował kwadratową końcówkę, co mogłoby zapobiec uszkodzeniu płytek do hodowli komórek. Jednakże, ponieważ powierzchnia styku między końcówką a dnem płytki hodowlanej jest kwadratowa, jest ona niestabilna podczas użytkowania (Rysunek 3B). Szkic III zapewnił tępo zaokrągloną końcówkę, skutecznie unikając powyższych problemów (Rysunek 3C). W związku z tym został on wybrany jako ostateczny projekt.
Konstrukcja została zoptymalizowana pod trzema aspektami: metodą mocowania uchwytu, wbudowaną gąbką amortyzującą oraz łatwością chwytania. Po pierwsze, rozważane metody mocowania produktu obejmowały zatrzaski40, połączenia czopowe41 oraz połączenia obrotowe42. Biorąc pod uwagę rzeczywiste koszty produkcji i możliwość wykonania, pod uchwytem w kształcie krzyża zaprojektowano zacisk, który ułatwia mocowanie do krawędzi studzienki. Ponadto podczas testu gojenia ran w warstwie komórek zaobserwowaliśmy, że końcówki odbijały się po dotknięciu ścianki w pobliżu końca z powodu stałej długości i twardości prowadnic, co wpływało na stan zadrapania. Dlatego na końcu prowadnicy dodano gąbkę amortyzującą, aby ustabilizować ruch końcówek (Rysunek 3A,C). Na koniec, na wypustce wykonano wgłębienie powierzchniowe, aby ułatwić chwytanie pęsetą.
Następnie za pomocą oprogramowania do projektowania 3D skonstruowano model trójwymiarowy. Jego wizualizacja przedstawiona jest na Rysunku 4A. Rysunek rozstrzelony szczegółowo obrazuje wewnętrzną strukturę skrobaka do komórek, wykazując jego niezbędne cechy omówione powyżej (Rysunek 4B). Ponadto, aby zapewnić gładkie przesuwanie się końcówek i prostych krawędzi, zastosowano wewnętrzną strukturę przekazywania mocy mechanicznej. Cała jednostka funkcjonalna skrobaka do komórek składa się z części sterującej. W praktyce dźwignia łącząca wewnątrz skrobaka połączona jest z górnym przyciskiem, a jej koniec przesuwa się w dół po przyłożeniu nacisku, co powoduje zablokowanie końcówki. Sprężyna wewnątrz suwaka zostaje zwolniona, co wymusza ruch końcówek. Ostatecznie zatrzymują się one na gąbce z wąską szczeliną, kończąc proces skrobania, a następnie przełączają się w celu zresetowania przy ponownym użyciu (Rysunek 5A). Co więcej, łatwość nauki i wygoda obsługi są kryteriami, według których biolog ocenia jakość produktu. Dlatego w projekcie wyglądu produktu układ powierzchni oparto na zasadzie symetrii i przejrzystości43,44, wyróżniając i podkreślając poszczególne komponenty za pomocą różnych odcieni kolorów czarnego, białego i szarego (Rysunek 5A).
Skrobacz do komórek jest lepszy od metody drapania końcówkami w zastosowaniu praktycznym
Fizyczny produkt w postaci skrobacza do komórek został przygotowany przy użyciu metody szlifowania i montażu (Rysunek 5B). Zgodnie z oczekiwaniami, skrobacz do komórek doskonale zintegrował się z płytką sześciodołkową, przy czym górny uchwyt w kształcie krzyża ściśle przylegał do krawędzi płytki, zapewniając silną stabilizację (Rysunek 5C). Co więcej, końcówki precyzyjnie przylegały do dna płytki sześciodołkowej, co ułatwiło sprawne tworzenie obszarów wolnych od komórek. Na koniec skrobacz do komórek poddano autoklawowaniu, aby sprawdzić, czy może on być używany wielokrotnie. Jak pokazują wyniki na Rysunku 5D, obecny skrobacz do komórek zachował pierwotny kształt i właściwości fizyczne nawet po autoklawowaniu w temperaturze 121.3 °C przez 30 min.
Skrobak do komórek okazał się wydajniejszy od dotychczasowej metody tworzenia ran komórkowych w teście porównawczym. Po wielokrotnych próbach skrobak do komórek wykazał wysoką stabilność i powtarzalność w przygotowywaniu rany, prezentując niskie wahania powierzchni każdej rany oraz niemal proste krawędzie, przy odchyleniu standardowym powierzchni wolnej od komórek wynoszącym 483,73 i odchyleniu od prostej krawędzi 5041,33 ± 2420,00. W przeciwieństwie do tego, powierzchnia każdej rany przygotowanej za pomocą końcówek pipet wykazywała większe wahania, z odchyleniem standardowym powierzchni wolnej od komórek wynoszącym 3905,80 i odchyleniem od prostej krawędzi 19562,33 ± 1068,39 (Rysunek 6A-C).
Na koniec oceniono wpływ na żywotność komórek po powstaniu ran komórkowych (Ryc. 6D). Wyniki wykazały, że 12 h po zakończeniu tworzenia ran komórkowych żywotność komórek była nieco, ale istotnie wyższa w grupie z użyciem skrobaka komórkowego niż w grupie z użyciem końcówek. W celu dalszego potwierdzenia tych wyników oraz wyjaśnienia wpływu różnych metod przygotowania ran komórkowych na proliferację komórek, tj. replikację DNA, przeprowadzono analizę EdU. Wyniki analizy EdU wykazały, że po 12 h odsetek proliferujących komórek w grupie ze skrobakiem komórkowym (24,41% ± 0,48) był istotnie wyższy niż w metodzie z użyciem końcówek (18,79% ± 1,46) (Ryc. 6E,F).
Dane te jednoznacznie potwierdziły, że opracowany generator ran komórkowych przewyższa obecną metodę tworzenia ran komórkowych pod względem stabilności i powtarzalności biologicznej. Wykazał on niewielki wpływ na żywotność i proliferację komórek. Wszystkie te istotne zalety generatora ran komórkowych potwierdziły jego potencjał do usprawnienia obecnych testów ran komórkowych poprzez zapewnienie niezawodności i powtarzalności uzyskanych danych.

Rycina 1: Analizy wymagań użytkowników. (A) Wykres Sankeya przedstawia schemat badania opartego na kwestionariuszach dla eksperymentatorów. (B) do (G) prezentują wyniki kwestionariuszy, obejmujące pytania od 1 do 6. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rycina 2: Projekt produktu z wykorzystanymi kolorami i materiałami. (A) Wybór kolorów. (B) Autoklaw użyty w eksperymentach biologicznych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Projekt produktu i szczegółowe struktury. (A) Trzy prototypowe warianty skrobaka do komórek. (B) Trzy szkice projektu końcówki. (C) Rysunek trójwidokowy wybranego prototypu III przedstawiający jego ogólny projekt oraz parametry fizyczne i przestrzenne. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Renderowany model trójwymiarowy i widok struktur wewnętrznych. (A) Render modelu trójwymiarowego. (B) Rysunek rozstrzelony przedstawiający struktury wewnętrzne proponowanego skrobaka do komórek. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 5: Mechanizmy działania skrobaka do komórek. (A) Szkice przedstawiają sposób działania skrobaka do komórek. (B) Produkt fizyczny skrobaka do komórek. (C) Skrobak do komórek pasuje do płytki 6-dołkowej. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 6: Eksperymentalna walidacja skrobaka do komórek. (A) Rany komórkowe powstałe w wyniku zastosowania różnych metod oraz wyniki ich porównania grupowego przedstawiono na (B) i (C), pasek skali wynosi 100 µm. (D) Wyniki żywotności komórek. (E) i (F) Wyniki testu Edu, pasek skali wynosi 50 µm. Do oceny statystycznej zastosowano test t dla porównań grupowych, a oryginalną wartość p skorygowano testem Holm-Bonferroni, aby uniknąć wyników fałszywie dodatnich. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
| I) Która z poniższych kwestii jest dla Państwa najbardziej problematyczna w eksperymencie z zadawaniem zranień komórek (cell scratching)? |
| A) Brak prostych krawędzi |
| B) Niestabilna szerokość |
| C) Powolna proliferacja |
| D) Kontaminacja komórek |
| E) Inne |
| II) Jakich narzędzi używasz do generowania ran w warstwie komórkowej? |
| A) końcówki do pipet (przejdź do pytania III) |
| B) Wkładki do hodowli komórkowych (przejdź do pytań IV-V) |
| III) Dlaczego nie wybrać insertów do hodowli komórkowych? |
| A) Żywotność komórek |
| B) Niewielokrotnego użytku |
| C) Koszt |
| D) Inne |
| IV) Dlaczego zdecydowano się na zastosowanie wkładów do hodowli komórkowych? |
| A) Koszt |
| B) Powtarzalność |
| C) Inne |
| V) Jakie są Państwa zdaniem najpoważniejsze problemy związane z wkładkami do hodowli komórkowych? |
| A) Stan komórek |
| B) Jednorazowego użytku |
| C) Kosztowna |
| D) Inne |
| E) Zadowolony |
| VI) Gdyby dostępne było niedrogie, wielorazowe (autoklawowalne) i wysoce powtarzalne narzędzie do zadawania zarysowań, w jakim stopniu byliby Państwo skłonni je kupić i stosować? |
| A) Bardzo chętny |
| B) Chętne |
| C) Nie jestem pewien/pewna |
| D) Niechętny |
Tabela 1: Kwestionariusz użyty w niniejszym badaniu składa się z sześciu pytań mających na celu zrozumienie sytuacji, z jakimi biolodzy spotykają się podczas przeprowadzania testów gojenia ran komórkowych.