22 июня 2012 г.
Метод культуре эндотелиальных монослоя клетки по всему внутреннему 3D поверхность микрофлюидных устройство с микрососудистой размеров каналов (<30 мкм) описывается. Это В пробирке Микрососудов модель позволяет изучать биофизические взаимодействия между клетками крови, эндотелиальных клеток и растворимых факторов, в гематологических заболеваний.
Общая цель данной процедуры — создание микрофлюидного устройства, покрытого эндотелиальными клетками. Это достигается путем первоначального изготовления формы для микрофлюидного устройства, после чего на втором этапе создается канал из PDMS.
Затем эндотелиальные клетки высевают в устройство. Заключительный этап — культивирование клеток внутри устройства. В конечном итоге микрофлюидные устройства, покрытые эндотелиальными клетками, используются для демонстрации межклеточных взаимодействий in vitro.
Основным преимуществом этого метода по сравнению с существующими является то, что он обеспечивает исследователю строгий контроль над биологическими и биофизическими условиями и совместим с флуоресцентной микроскопией. Хотя данный метод позволяет изучить биофизические взаимодействия клеток при гематологических заболеваниях, его также можно применять для изучения таких явлений, как биология лейкоцитов, метастазирование рака и биология гемопоэтических стволовых клеток. Как правило, специалисты, впервые использующие этот метод, могут столкнуться с трудностями, так как для успешного прикрепления клеток требуется строгое соблюдение условий.
В процессе подготовки к изготовлению создается фотошаблон путем отправки изображения микрофлюидного устройства, созданного в системе автоматизированного проектирования, внешнему поставщику масок. Полученный шаблон представляет собой слой хрома на натриево-известковом стекле. В данном случае ширина микрофлюидного канала составляет 30 microns.
Для начала изготовления микрофлюидного устройства очистите чистую кремниевую пластину раствором «пиранья» в течение 15 минут, затем промойте деионизированной водой в течение 10 секунд. Затем погрузите кремниевую пластину в плавиковую кислоту на 30 секунд и промойте деионизированной водой в течение примерно 10 секунд. После этого с помощью установки для центрифужного нанесения нанесите на пластину фоторезист MicroChem SU-8 2025 до достижения толщины 30 мкм при скорости вращения 3000 об/мин.
Поместите пластину с нанесенным слоем SU 8 20 25 на нагревательную поверхность, установленную на 95 °C, на пять минут для удаления избытка растворителя. Использование сушильного шкафа на данном этапе не рекомендуется. Затем наложите фотошаблон на пластину и подвергните воздействию УФ-излучения в маске-лайнере для сшивания молекул фоторезиста SU 8 20 25.
После сшивания повторно поместите подложку на нагревательную платформу при 95 °C еще на пять минут, чтобы дополнительно ускорить полимеризацию фоторезиста SU 8 20 25. Затем погрузите подложку в проявитель SU 8, состоящий преимущественно из P-G-M-E-A, на четыре минуты.
Это позволит удалить несшитый фоторезист SU 8 20 25. Промойте свежепроявленную подложку 100% изопропиловым спиртом в течение 10 секунд, затем высушите ее с помощью сжатого азота или путем испарения растворителя с подложки в чистом вытяжном шкафу в течение нескольких минут. Теперь закрепите высушенную подложку лентой в центре чашки Петри, стараясь наносить ленту по краям подложки.
Наконец, нанесите пипеткой 500 µL раствора Sigma Coat на подложку. Накройте чашку Петри крышкой, затем осторожно перемешайте содержимое круговыми движениями, чтобы обеспечить полное покрытие подложки. Снимите крышку и оставьте подложку высыхать на несколько минут до полного испарения растворителя.
После смешивания полимера PDMS и отвердителя в весовой пропорции 10:1 удалите пузырьки воздуха с помощью вакуум-десикатора в течение от нескольких минут до одного часа, в зависимости от мощности имеющейся вакуумной системы. После удаления всех пузырьков воздуха залейте смесь в чашку так, чтобы подложка и поверхность чашки были полностью покрыты. Это позволит создать слой PDMS толщиной примерно пять миллиметров.
Также создайте тонкий безструктурный слой PDMS толщиной 1 мм. Затем отверждайте смесь в печи при 60 °C в течение ночи. На следующий день с помощью ножа или скальпеля вырежьте область вокруг подложки и извлеките несколько микрофлюидных устройств из PDMS.
Затем разрежьте лист, чтобы изолировать отдельные устройства. Вырежьте фрагмент PDMS, который будет немного больше по размеру, чем микрофлюидное устройство. Теперь с помощью ручного сверла Harris unicorn или аналогичного прибора проделайте отверстия для входа и выхода в микрофлюидном устройстве.
Затем очистите поверхности микрофлюидного устройства и листа с помощью клейкой ленты. После этого используйте установку для плазменной очистки, чтобы подвергнуть поверхности микрофлюидного устройства и листа PDMS воздействию кислородной плазмы в течение 30 секунд. Кислородная плазма создает на открытой поверхности PDMS активные формы кислорода, которые образуют связи при физическом контакте поверхностей.
Затем наполните одномиллилитровый шприц, оснащенный иглой с тупым концом 20-го калибра, раствором фибронектина из плазмы человека в PBS в концентрации 50 µg/mL, после чего наденьте на иглу отрезок трубки. Вставьте отрезок трубки меньшего диаметра в первую трубку, чтобы создать плотное фрикционное соединение между двумя отрезками.
Затем подсоедините другой конец более тонкой трубки к входному отверстию микрофлюидного устройства. Надавите на поршень шприца, чтобы полностью заполнить каналы раствором фибронектина и создать небольшую каплю объемом 100 microliter на выходном порту, чтобы каналы оставались увлажненными. Теперь инкубируйте микрофлюидное устройство в увлажненном инкубаторе при 37 degrees Celsius в течение 40–60 минут.
После инкубации присоедините новый шприц, заполненный PBS, к игле с тупым концом. Надавите на поршень, чтобы промыть микрофлюидное устройство раствором PBS. Подготовьте суспензию эндотелиальных клеток пупочной вены человека (HUVEC) в концентрации от 500 000 до 2 миллионов клеток на миллилитр в среде для роста эндотелия с 8% декстраном.
Добавление декстрана повышает вероятность успешной адгезии и культивирования клеток внутри микрофлюидного устройства. Заполните чистый шприц, оснащенный иглой с тупым концом и трубкой большего диаметра, суспензией клеток и подсоедините к нему трубку большей длины (примерно один метр). Важно обеспечить плотное прилегание трубки, чтобы исключить утечки в местах соединений.
Заполните трубки раствором с клетками, убедившись в отсутствии пузырьков воздуха как в шприце, так и в любой из трубок, чтобы оптимизировать работу системы. На данном этапе крайне важно предотвратить любые утечки или попадание пузырьков воздуха в систему. Любая утечка раствора или наличие пузырьков в среде помешают успешному прикреплению эндотелиальных клеток.
После удаления всех пузырьков воздуха и заполнения всей длины трубки суспензией клеток установите шприц на насос, а другой конец трубки подсоедините к входному отверстию микрофлюидного устройства. Шприцевой насос должен быть расположен на той же высоте, что и микрофлюидное устройство. Длинный отрезок трубки аккуратно сворачивают в кольца внутри инкубатора, чтобы клетки и среда достаточно прогрелись перед попаданием в устройство.
Затем суспензия клеток вводится в микрофлюидное устройство со скоростью потока 1.23 µL/min в течение двух часов при 37 °C и 5% CO₂ в нашей системе. Скорость потока 1.23 µL/min соответствует скорости потока в центре русла 1 mm/s в самых узких каналах. При использовании цельной крови это примерно соответствует напряжению сдвига на стенке 1 dyn/cm² в этих каналах.
После завершения введения суспензии клеток используйте тот же шприцевой насос и длинную трубку с шприцем большего объема для подачи свежей ростовой среды в течение от двух до восьми дней со скоростью 1,23 µL в минуту. Когда монослой клеток достигнет желаемого уровня конфлюэнтности, введите в систему кровь или суспензию клеток для проведения эксперимента. На данном изображении показано микрофлюидное устройство до эндотелизации.
Микрофлюидное устройство было заполнено пищевым красителем для иллюстрации размера, масштаба и общей конструкции устройства, имитирующего физиологию сосудистой системы. Микроскопия в светлом поле демонстрирует эндотелизацию микрофлюидного устройства. Данное изображение было получено менее чем через 48 часов после посева согласно описанному протоколу; оптимизированный метод перфузии позволяет эндотелиальным клеткам создать сплошной слой по всей внутренней поверхности микрофлюидной системы.
В течение 24–48 часов после посева клеток. Как показано на этом конфокальном изображении, микрососудистая опухоль на чипе с микроканалами имитирует размер посткапиллярных вен (30 микрон), которые являются местом возникновения большинства случаев микрососудистой обструкции при серповидноклеточной анемии. В данном эксперименте цельная кровь здоровых пациентов вводится в устройство с микрососудистой сетью на чипе в условиях дезоксигенации.
В данном видео показано, что поток цельной крови в нашей эндотелиальной микрофлюидной системе является регулярным, плавным и непрерывным, без участков обструкции микроканалов. Здесь цельная кровь пациентов с серповидноклеточной анемией вводится в устройство «микрососуды на чипе». В условиях дезоксигенации наблюдаются значительные изменения кровотока с возникновением полных окклюзий в нескольких каналах.
При выполнении данной процедуры важно следить за тем, чтобы при замене трубок не было допущено попадания пузырьков воздуха. Готовое устройство совместимо с флуоресцентной микроскопией и может быть адаптировано для традиционных флуоресцентных анализов. Данный метод открывает перед учеными-гематологами возможность проведения экспериментов с единичными клетками в контролируемой биофизической и гемодинамической среде.
Без пузырьков.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
В данной статье описывается метод культивирования монослоя эндотелиальных клеток в микрофлюидном устройстве с каналами размера микрососудов. Эта модель in vitro облегчает изучение взаимодействий между клетками крови, эндотелиальными клетками и растворимыми факторами при гематологических заболеваниях.
Эта эндотелизированная микрофлюидная платформа устраняет критический пробел в исследованиях гематологических заболеваний, обеспечивая точный контроль микрососудистой гемодинамики и биофизических условий. Она представляет собой воспроизводимую систему in vitro для изучения патогенных взаимодействий между клетками и эндотелием в условиях потока, что способствует механистическому снижению рисков при валидации мишеней и разработке методов анализа. Данная модель повышает прогностическую достоверность для перспективных гематологических препаратов за счет воспроизведения патофизиологии на уровне посткапиллярных венул, имеющей значение при вазоокклюзионных кризах.
Данный метод вписывается в континуум исследований — от проверки гипотезы о мишени до доклинических испытаний эффективности, в частности для гематологических препаратов, воздействующих на микрососудистую адгезию или эндотелиальную активацию.