June 22nd, 2012
Opisano metodę hodowli monowarstwy komórek śródbłonka na całej wewnętrznej powierzchni 3D urządzenia mikroprzepływowego z kanałami o rozmiarach mikrokrążeniowych (<30 μm). Ten model mikrokrążenia in vitro umożliwia badanie biofizycznych interakcji między komórkami krwi, komórkami śródbłonka i czynnikami rozpuszczalnymi w chorobach hematologicznych.
Ogólnym celem tej procedury jest stworzenie urządzenia mikroprzepływowego pokrytego komórkami śródbłonka. Osiąga się to poprzez najpierw wytworzenie formy mikroprzepływowej. Drugim krokiem jest utworzenie kanału PDMS.
Następnie komórki śródbłonka są umieszczane w urządzeniu. Ostatnim krokiem jest hodowla komórek w urządzeniu. Ostatecznie urządzenia mikroprzepływowe pokryte komórkami śródbłonka są używane do pokazywania interakcji między komórkami in vitro.
Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami jest to, że zapewnia badaczowi ścisłą kontrolę nad warunkami biologicznymi i biofizycznymi oraz jest kompatybilna z mikroskopią fluorescencyjną. Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w biofizyczne interakcje komórek komórkowych w chorobach hematologicznych, może być również stosowana do zjawisk takich jak biologia leukocytów, przerzuty raka i biologia krwiotwórczych komórek macierzystych. Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które są nowe w tej metodzie, będą miały trudności, ponieważ warunki muszą być ściśle kontrolowane, aby zapewnić udane siedzenie w celi.
W ramach przygotowań do produkcji tworzy maskę fotograficzną, przesyłając obraz projektu wspomaganego komputerowo urządzenia Microfluid do zewnętrznego dostawcy maski. Po otrzymaniu maska składa się z warstwy chromu na szkle sodowo-wapniowym. Tutaj szerokość kanału mikroprzepływowego wynosi 30 mikronów.
Aby rozpocząć produkcję urządzenia mikroprzepływowego, wyczyść gołą płytkę silikonową piranią przez 15 minut, a następnie spłucz wodą dejonizowaną przez 10 sekund. Następnie zanurz wafel silikonowy w kwasie fluorowodorowym na 30 sekund i spłukuj wodą dejonizowaną przez około 10 sekund. Następnie, za pomocą spin coter micro chem SU 8 20 25 fotorezystu na płytce na wysokość 30 mikronów przy prędkości wirowania 3000 obrotów na minutę.
Umieść powlekaną płytkę SU 8 20 25 na płycie grzejnej ustawionej na 95 stopni Celsjusza na pięć minut, aby usunąć nadmiar rozpuszczalnika. Piekarnik nie jest zalecany do tego etapu. Teraz umieść maskę fotograficzną na wafli i wystaw na działanie światła UV w wkładce maski, aby usieciować rezystor fotograficzny SU 8 20 25.
Po usieciowaniu umieść wafel z powrotem na płycie grzejnej w temperaturze 95 stopni Celsjusza na dodatkowe pięć minut. Aby jeszcze bardziej przyspieszyć polimeryzację SU 8, 20 25 fotorezystu. Następnie zanurz wafel w wywoływaczu SU eight, który składa się głównie z P-G-M-E-A na cztery minuty.
Spowoduje to usunięcie nieusieciowanego zdjęcia SU 8 20 25. Oprzeć. Opłucz nowo opracowaną płytkę 100% alkoholem izopropylowym przez 10 sekund, a następnie wysusz przy użyciu azotu pod ciśnieniem lub pozwalając rozpuszczalnikowi odparować z wafla w czystym dygestorium przez kilka minut. Teraz przyklej wysuszoną wafel do środka szalki Petriego, uważając, aby umieścić taśmę na krawędziach wafla.
Na koniec odpipetuj 500 mikrolitrów powłoki sigma na wafel. Przykryj szalkę Petriego pokrywką, a następnie zakręć naczyniem, aby zapewnić całkowite pokrycie wafla. Zdejmij pokrywkę i pozostaw wafel do wyschnięcia na kilka minut, aż cały rozpuszczalnik wyparuje.
Po zmieszaniu polimeru PDMS i utwardzacza w stosunku 10 do jednego masy, należy usunąć pęcherzyki powietrza za pomocą osuszacza próżniowego na kilka minut do jednej godziny, w zależności od mocy dostępnego systemu próżniowego. Po usunięciu wszystkich pęcherzyków powietrza wlej mieszaninę do naczynia tak, aby wafel i powierzchnia naczynia były pokryte. Aby utworzyć arkusz PDMS o grubości około pięciu milimetrów.
Utwórz również cienki, pozbawiony cech kawałek PDMS o grubości jednego milimetra. Następnie utwardź mieszaninę w piekarniku o temperaturze 60 stopni Celsjusza przez noc. Następnego dnia użyj noża lub skalpela, aby przeciąć płytkę i usunąć wiele urządzeń mikroprzepływowych PDMS.
Następnie przetnij arkusz, aby odizolować poszczególne urządzenia. Wytnij arkusz PDMS nieco większy niż urządzenie mikroprzepływowe. Teraz użyj imadła szpilkowego, jednorożca Harrisa lub podobnego urządzenia, aby utworzyć otwory wlotowe i wylotowe w urządzeniu mikroprzepływowym.
Następnie oczyść powierzchnie urządzenia mikroprzepływowego i arkusza za pomocą taśmy klejącej. Następnie za pomocą środka do czyszczenia plazmowego wystawić powierzchnie urządzenia mikroprzepływowego i arkusza PDMS na działanie plazmy tlenowej przez 30 sekund. Plazma tlenowa tworzy reaktywne formy na odsłoniętej powierzchni PDMS, które łączą się w kontakcie fizycznym.
Następnie napełnij strzykawkę o pojemności jednego mililitra wyposażoną w igłę o rozmiarze 20 z dawką 50 mikrogramów na mililitr. Fibronektyna z ludzkiego osocza w PBS, a następnie dopasuj odcinek rurki do igły. Włóż kawałek cieńszej rurki do pierwszego kawałka rurki, aby uzyskać pasowanie cierne między dwoma kawałkami rurki.
Następnie przymocuj drugi koniec cieńszego kawałka rurki do wlotu urządzenia mikroprzepływowego. Naciskać na strzykawkę, aby całkowicie napełnić kanały roztworem fibronektyny i wytworzyć małą kroplę o wielkości 100 mikrolitrów w porcie wyjściowym, aby upewnić się, że kanały pozostaną mokre. Teraz inkubuj urządzenie mikroprzepływowe w nawilżonym inkubatorze w temperaturze 37 stopni Celsjusza przez 40 do 60 minut.
Po inkubacji podłączyć świeżą strzykawkę wypełnioną PBS do igły z końcem. Zastosuj ciśnienie, aby przepłukać urządzenie mikroprzepływowe PBS. Przygotuj od 500 000 do 2 milionów komórek na mililitr ludzkich komórek śródbłonka żyły pępowinowej lub umieść w śródbłonku pożywki wzrostowej z 8% dekstranem.
Dodatek dekstranu zwiększa prawdopodobieństwo, że komórki będą z powodzeniem przylegać i hodować w urządzeniu mikroprzepływowym. Wypełniacz wyczyść strzykawkę wyposażoną w igłę końcową i szerszą rurkę z zawiesiną ogniw i podłącz dłuższy odcinek rurki o długości około jednego metra. Bardzo ważne jest, aby upewnić się, że rurka jest ściśle dopasowana, aby wyeliminować wycieki między dowolnymi połączeniami.
Zalać rurkę roztworem komórkowym, upewniając się, że ani w strzykawce, ani w żadnym z przewodów nie ma pęcherzyków powietrza, aby zoptymalizować wydajność systemu. W tym momencie bardzo ważne jest, aby zapobiec przedostawaniu się do systemu jakichkolwiek wycieków lub pęcherzyków. Jakikolwiek wyciek roztworu lub obecność pęcherzyków w pożywce uniemożliwi pomyślne osadzenie komórek śródbłonka.
Gdy wszystkie pęcherzyki zostaną usunięte, a cała długość rurki zostanie zalana zawiesiną komórkową, umieść strzykawkę na pompie i podłącz drugi koniec do wlotu mikroprzepływowego. Pompa strzykawkowa jest ustawiona na tej samej wysokości co urządzenie mikroprzepływowe. Długie rurki są starannie zwijane w inkubatorze, aby zapewnić odpowiednie ogrzanie komórek i mediów przed kontaktem z urządzeniem.
Następnie zawiesina komórkowa jest wprowadzana do urządzenia mikroprzepływowego z objętościowym natężeniem przepływu 1,23 mikrolitra na minutę przez dwie godziny w temperaturze 37 stopni Celsjusza i 5% dwutlenku węgla w naszym systemie. Objętościowa częstość występowania grypy wynosząca 1,23 mikrolitra na minutę odpowiada prędkości środkowej wynoszącej jeden milimetr na sekundę w najmniejszych kanałach. Przybliża to naprężenie ścinające ściany wynoszące jedną centę na centymetr kwadratowy w tych kanałach przy użyciu krwi pełnej.
Po zakończeniu infuzji zawiesiny komórkowej użyj tej samej pompy strzykawkowej i długich rurek z większą strzykawką, aby podawać świeżą pożywkę wzrostową przez dwa do ośmiu dni z szybkością 1,23 mikrolitra na minutę. Gdy monowarstwa komórki znajdzie się na pożądanym poziomie konfluencji, wstrzyknij krew lub zawiesinę komórkową do systemu w celu eksperymentowania. Tutaj urządzenie mikroprzepływowe jest pokazane przed endotelializacją.
Urządzenie mikroprzepływowe zostało nasycone barwnikami spożywczymi, aby zilustrować rozmiar, skalę i ogólną konstrukcję urządzenia, które naśladuje fizjologię układu naczyniowego. Mikroskopia jasnego pola ujawnia endotelializację urządzenia mikroprzepływowego. Obraz ten został uzyskany w mniej niż 48 godzin po wysiewie przy użyciu opisanego protokołu, zoptymalizowana technika perfuzji pozwala komórkom śródbłonka na płynną hodowlę całej wewnętrznej powierzchni układu mikroprzepływowego.
W ciągu 24 do 48 godzin od wysiewu komórek. Jak pokazano na tym obrazie konfokalnym, guz mikronaczyniowy na chipie z mikrokanałami przybliża rozmiar 30 mikronów naczyń włosowatych po kapilarze, które są miejscem większości zdarzeń obturacyjnych mikrokrążenia sierpowatokrwinkowego. W tym eksperymencie pełna krew od zdrowych pacjentów jest podawana do mikronaczyniowości na chipie w warunkach odtlenienia.
Ten film pokazuje, że przepływ pełnej krwi w naszym śródbłonkowym układzie mikroprzepływowym jest regularny, płynny i ciągły, bez obszarów niedrożności mikrokanałów. W tym przypadku pełna krew od pacjentów z niedokrwistością sierpowatokrwinkową jest podawana do mikronaczyń krwionośnych na urządzeniu z chipem. W warunkach odtlenienia obserwuje się znaczne zmiany w przepływie krwi z całkowitymi okluzjami obecnymi w kilku kanałach.
Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, aby nie wprowadzać pęcherzyków powietrza podczas zmiany rurki. Gotowe urządzenie jest kompatybilne z mikroskopią fluorescencyjną i może być przystosowane do tradycyjnych testów fluorescencyjnych. Technika ta toruje drogę hematologom eksperymentalnym do przeprowadzania eksperymentów z wykorzystaniem pojedynczych komórek w kontrolowanym środowisku biofizycznym i hemodynamicznym.
Bez bąbelków.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
W tym artykule opisano metodę hodowli monowarstwy komórek śródbłonka w urządzeniu mikrofluidycznym z mikrokrwionośnymi kanałami. Ten in vitro model ułatwia badanie interakcji między komórkami krwi, komórkami śródbłonka i czynnikami rozpuszczalnymi w chorobach hematologicznych.
This endothelialized microfluidic platform addresses a critical gap in hematologic disease research by enabling precise control of microvascular hemodynamic and biophysical conditions. It provides a reproducible in vitro system to study pathogenic cell-endothelial interactions under flow, supporting mechanistic de-risking in target validation and assay development. The model enhances predictive confidence for hematologic therapeutic candidates by replicating post-capillary venule-scale pathophysiology relevant to vaso-occlusive crises.
The method fits within the discovery continuum from target hypothesis screening to preclinical efficacy testing, particularly for hematologic agents targeting microvascular adhesion or endothelial activation.