Method Article

System mikrofluidyczny do modelowania dysfunkcji śródbłonka pod łącznym fizjologicznym naprężeniem pulsacyjnym ścinającym i hiperglikemią oscylacyjną

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

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

Przedstawiamy tutaj protokół do wytwarzania i obsługi systemu mikrofluidycznego, który naraża komórki śródbłonka na zsynchronizowaną hiperglikemię oscylacyjną oraz pulsacyjne naprężenia ścinające. To podejście dostarcza fizjologicznie istotnego modelu in vitro do badania dysfunkcji śródbłonka cukrzycowego. Protokół ten umożliwia ilościowe pomiary stresu oksydacyjnego oraz odpowiedzi komórek śródbłonka.

Abstract

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

Dysfunkcja śródbłonka w powikłaniach naczyń cukrzycowych obejmuje złożone interakcje między zaburzeniami metabolicznymi, w szczególności glukozą oscylatorną (OG) a pulsacyjnym naprężeniem ścinającym (PSS). Chociaż te czynniki były badane w izolacji, konwencjonalne modele pozostają ograniczone do statycznego przepływu wysokoglukozowego lub uproszczonego laminarnego przepływu, nie posiadając zdolności do naśladowania zintegrowanego sprzężenia przestrzenno-czasowego występującego w naczyniach cukrzycowych. Wykorzystując programowalną platformę mikrofluidyczną, protokół ten stanowi cenną podstawę do badania zintegrowanych efektów zsynchronizowanej oscylacyjnej hiperglikemii i fizjologicznego PSS na komórki śródbłonka. Protokół ten ma na celu modelowanie dysfunkcji śródbłonka w warunkach fizjologicznie istotnych, sprzężonych metabolicznych i mechanicznych. Zastosowanie układu polidimetylosiloksanu (PDMS) w połączeniu z systemem sterowania sterowanym ciśnieniem pozwala na precyzyjną, niezależną modulację przebiegów przepływu i profili stężeń glukozy. Hemodynamiczna wierność systemu jest weryfikowana przez mikrocząstek obrazową (Micro-PIV), natomiast odpowiedź komórkowa jest ilościowo charakteryzowana poprzez monitorowanie poziomu wewnątrzkomórkowych reaktywnych składników tlenu (ROS) oraz żywotności komórek. Reprezentatywne wyniki pokazują, że fizjologiczne PSS skutecznie tłumi uszkodzenia oksydacyjne wywołane przez OG. Efekt ten wykazuje się obniżeniem poziomu ROS wewnątrzkomórkowego oraz poprawą żywotności komórek w warunkach stymulacji łącznej. W zależności od pytania badawczego można dostosować parametry takie jak wzorce naprężeń ścinanych, częstotliwości oscylacji glukozy oraz geometrię kanałów. Metoda ta służy jako wszechstronne narzędzie do badań mechanistycznych szlaków mechanobiologicznych oraz badań przesiewowych leków w zakresie interwencji terapeutycznych w chorobach naczyń cukrzycowych.

Introduction

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

Dysfunkcja śródbłonka jest kluczowym wczesnym wydarzeniem w rozwoju powikłań naczyniowych cukrzycy, wywołanym zarówno zaburzeniami metabolicznymi, jak i nieprawidłowymi siłami hemodynamicznymi 1,2. Poziomy OG, a nie tylko długotrwała hiperglikemia, są coraz częściej uznawane za silne czynniki wywołujące stres oksydacyjny i sygnalizację zapalną w komórkach śródbłonka, prowadzące do uszkodzenia naczyń i zaburzeń homeostazy 3,4,5. Równocześnie hemodynamiczne naprężenie ścinające jest głównym czynnikiem determinującym fen....

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

Protocol

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

Oświadczenie etyczne:

UWAGA: Wszystkie odczynniki, urządzenia i oprogramowanie używane w tym protokole są wymienione w Tabeli Materiałów.

1. Produkcja mikrofluidycznych układów scalonych

  1. Użyj oprogramowania do wspomagania projektowania komputerowego (CAD) do zaprojektowania struktury układu mikrofluidycznego (W x L x H = 2 mm x 30 mm x 0,1 mm, rysunek 1A) i wykonaj główną formę SU-8 za pośrednictwem firmy komercyjnej.
  2. Wymieszaj środek utwardzający PDMS i prepolimer w proporcji 10:1 wagowej w czystym kubku do mieszania i intensyw....

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

Results

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

Mikro-PIV walidacja pola przepływu w kanale mikrofluidycznym
Rysunek 1D przedstawia przegląd platformy mikrofluidycznej używanej do badania odpowiedzi śródbłonka na sprzężoną stymulację metaboliczną i mechaniczną. System integruje mikrofluidyczny układ PDMS o prostym kanale z modułem sterowania przepływem sterowanym ciśnieniem, umożliwiając stosowanie warunków OG wraz z fizjologiczną PSS. Zastosowano programowalną strategię przełączania lamp do generowania okresowej zm.......

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

Discussion

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

Opisany tutaj układ mikrofluidyczny stanowi solidną i fizjologicznie istotną platformę do badania zintegrowanych efektów OG i PSS na funkcjonowanie komórek śródbłonka. Główną zaletą tej metody jest jej zdolność do precyzyjnego kontrolowania i rozdzielania bodźców mechanicznych i biochemicznych w określonym mikrośrodowisku. W przeciwieństwie do konwencjonalnych hodowli statycznych, które nie mają sił hemodynamicznych, lub modeli zwierzęcych, które często zaciemniają sygnalizację na poziomie komórkowym

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

Disclosures

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

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

Acknowledgements

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

Prace te były wspierane przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (numery grantów 12372304, 12172081) oraz Fundusze Badań Podstawowych dla Uniwersytetów Centralnych (DUT25YG272).

....

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% trypsyna-EDTANEST Biotechnology Co., Ltd.211052Dysocjacja komórkowa
1 mL strzykawkiShanghai Zhengbang Medical Science Co., Ltd.1mLWstrzykuj płyn
Naczynie kultury 60 mmNEST Biotechnology Co., Ltd.705001Hodowla komórkowa
90 stopni; Złącze ze stali nierdzewnej o ukośnymLuoyang Mayer Trading Co., Ltd.1,3 mmUrządzenie uszczelniające adapter
Oprogramowanie AutoCADAutodeskRRID:SCR_014981Oprogramowanie do projektowania wspomaganego komputerowo
Butelka z boronizowanym szkłemHunan Aidete Scientists Instruments Co., Ltd.Podwójne przejście 100 mLZbiornik
Zestaw Calcein-AM/PIBeyotimeBYT-C2015Barwienie
Inkubator komórkowyESCOEsco CelMateHodowla komórkowa
CellROX Deep RedInvitrogenC10422Barwienie
D-glukozaSigma Aldrich47249Glukoza
D-mannitolMacklinM813423Zrównoważenie ciśnienia osmotycznego
DynamicStudioDantec DynamicsV8.6Oprogramowanie do analizy PIV
Serum bydła płodu (FBS)Gibco14190-094Medium
FibronektynaSigma AldrichF-2006Przyczepność komórek
Mikrocząstki fluorescencyjneThermo ScientificG0100Micro-PIV
Szklana pokrywkaCitotest Scientific Co., Ltd.#1Układ mikrofluidyczny
Wysokoglukozowy DMEMSolarbio12100Medium
Kamera szybkaDantec DynamicsFlowSense EOMicro-PIV
ImageJNIHRRID:SCR_003070Oprogramowanie do przetwarzania obrazu
Odwrócony mikroskop fluorescencyjnyOlympusIX73Żywotność komórek
Odwrócony mikroskop fluorescencyjnyOlympusIX83Obserwacja i pozyskiwanie
Niskoglukozowy DMEMSolarbio31600Medium
PochodzenieOriginLabRRID:SCR_014212Oprogramowanie do analizy danych i tworzenia wykresów
PDMSDow lnc.184Układ mikrofluidyczny
Penicylina/streptomycyna (P/S)NEST Biotechnology Co., Ltd.211092Medium
Fosforanowa sól buforowa (PBS)NEST Biotechnology Co., Ltd.211031Hodowla komórkowa
Oczyszczacz plazmowyJiarun Wanfeng Technology Co., Ltd.PC-6DUkład mikrofluidyczny
Programowalny system kontroli ciśnieniaElvesysOB1 MK4Kontrola przepływu
Rurka silikonowaNanjing Runze Fluid Control Equipment Co., Ltd.964101mm*3mm
Forma główna SU-8Boao Biology Group Co. Ltd.Nie maUkład mikrofluidyczny
Kontroler zaworuElvesysMUX Wire V3Kontrola przepływu

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