Summary
We presenteren de procedure voor de productie en exploitatie van een microfluïdische apparaat dat heterogene tumor micro-omgevingen herschept
Abstract
We hebben een microfluïdische apparaat dat de levering en de systemische klaring van geneesmiddelen voor heterogene driedimensionale tumorweefsels in vitro nabootst. Voedingsstoffen die door vasculatuur niet alle delen van tumoren te bereiken, die tot heterogene micromilieus bestaande uit levensvatbare, rustige en necrotische celtypen. Veel kanker drugs niet effectief doordringen en behandelen alle soorten cellen hierdoor heterogeniteit. Monolagen van kankercellen niet bootsen deze heterogeniteit, waardoor het moeilijk om kanker farmaca met een geschikt in vitro model. Onze microfluïdische apparaten werden vervaardigd uit PDMS met behulp van zachte lithografie. Multicellulaire tumor sferoïden gevormd door de opknoping neerzetten, werden ingevoegd en beperkt tot rechthoekige kamers van het apparaat en onderhouden met continue perfusie medium aan een zijde. De rechthoekige vorm van de kamers van het apparaat lineaire gradiënten ontstaan in weefsel. Fluorescerende vlekken werden gebruikt om e kwantificerene variabiliteit in apoptosis in weefsel. Tumoren van het apparaat werden behandeld met de fluorescerende chemotherapeuticum doxorubicine, time-lapse microscopie werd gebruikt om de verspreiding te controleren in weefsel en de effectieve diffusiecoëfficiënt geschat. De opknoping neerzetten toegestaan snelle formatie van uniforme bolletjes van verschillende cellijnen. Het apparaat ingeschakeld groei van bolvormige deeltjes tot 3 dagen. Cellen in de nabijheid van vloeiend medium waren minimaal apoptotische en die ver van het kanaal waren apoptotisch, waardoor nauwkeurig regio tumoren naast bloedvaten nabootsen. De geschatte waarde van de doxorubicine diffusiecoëfficiënt overeengekomen met een eerder gerapporteerde waarde in de menselijke borstkanker. Omdat de penetratie en retentie van drugs in solide tumoren van invloed op hun werkzaamheid, zijn wij van mening dat dit apparaat is een belangrijk instrument in het begrijpen van het gedrag van drugs, en het ontwikkelen van nieuwe kankertherapieën.
Protocol
1. Device Fabrication
Replicatie van microfluïdische functies in elastomeren was gebaseerd op de methode beschreven door Duffy et al. 1.
- Mix elastomeer (polydimethylsiloxaan, PDMS) en verharder uit de siliconelastomeerfase Kit (Dow Corning, Midland, MI) in een 9:1 gewichtsverhouding en giet het over de master op een 4 mm dikke laag te vormen. Ontgassen om luchtbellen te verwijderen en uitharding van het mengsel bij 60 ° C gedurende 5 uur. Schil uitgeharde PDMS van de vorm om een stempel van stroming functies van het elastomeer te verkrijgen.
- Perforaties voor-en afvoeren met een 1,5 mm biopsie punch (Miltex, York, PA) op een kolomboormachine. Trek eventueel vuil.
- Onderwerp De kenmerken zijde van de stempel en een schoon glasplaatje aan zuurstofplasma gedurende 8 minuten in een zuurstofplasma etser. Onmiddellijk Breng de behandelde oppervlakken in contact om een band tussen hen te vormen. Handhaaf het samenstel bij 60 ° C op een dia warmer ten minste 5 uurs om de band te versterken.
- Sluit 0.032 "ID PTFE-buis (Cole Parmer, Vernon Hills, IL) om de in-en uitgangen met behulp van een interface van mannelijke luer-lock aansluitingen aan prikkeldraad vrouwelijke luer-lock connectoren (Qosina, Edgewood, NY).
- Stel de stroom montage met behulp van afsluiters en een Y-connector (Upchurch Scientific, Oak Harbor, WA, figuur 1). Monteer het apparaat op de microscoop. Bevestig spuiten om buizen met behulp van 20G 1,5 "naalden (BD Bioscience, Rockville, MD).
2. Vorming van Uniform sferoïden
Sferoïden gevormd door de opknoping neerzetten 2,3.
- Trypsinize cellen onder een steriele celkweek kap.
- Centrifugeer getrypsiniseerde cellen bij 2000 rpm gedurende 5 minuten en resuspendeer in 6 ml vers medium. Verdun de stamoplossing tot een gewenste eindconcentratie (tabel 1).
- Verwijder het deksel van een 48 well plaat en plaats het ondersteboven in de sterilized kap. Circulaire gebieden die corresponderen met elk putje zijn zichtbaar op het deksel. Vul elk putje van de plaat met 1 ml gesteriliseerd water aan vocht behouden. Plaats een 20 ul druppel van de verdunde oplossing in elke cel cirkelvormig gebied met een micropipet. Voorzichtig omkeren het deksel en plaats het over de plaat, zodat de druppels niet de randen van de putjes te raken.
- Incubeer de puts plaat bij 37 ° C gedurende een bepaald aantal dagen (tabel 1). Een sferoïde vormen in elke opknoping druppel.
3. Introductie van sferoïden in Device
Zie tabel 1 en figuur 2 van deze sectie.
- Steriliseer het apparaat door te spoelen met 70% ethanol ingebracht door het stromingsinlaatpunt. Vervolgens spoelen met PBS gevolgd door HEPES gebufferd celkweekmedium. Laat het medium spuit S F aan de slang.
- Teken twee tot drie sferoïden in P spuit S, tikt spuit om luchtbellen te verwijderen, enhechten aan de verpakking inlaat van het apparaat.
- Open inlaatklep V Pin en dicht V Fin. Open uitlaatklep V Pout en dicht V Fout. Houd de verpakking spuit verticaal met de naald naar beneden; kijken als sferoïden naar de bodem van de spuit af te wikkelen in de luer-lock aansluiting van de naald. Duw de zuiger op de verpakking spuit en kijken sferoïden voer de slang en de stroom in het apparaat. Omdat alleen de verpakking uitlaatklep open is, een bolvormige voer de kamer van de inrichting wordt bijgehouden door posten aan de achterzijde (Fig. 2).
- Sluiten inlaatklep V Pin en uitlaatklep V Pout. Monteer de spuit S F op een injectiepomp. Open de afsluiter V Fin en klep V Fout. Stromingsmedium in het apparaat bij 3 gl / min.
4. Introductie van Apoptosis detecteren Agent (CaspGLOW)
Na het inpakken kamers met sferoïden, zodat evenwicht voor up 24 uur aan voedingsstoffen gradiënten en micromilieus stellen, alvorens apoptose detecteren of therapeutische middelen. Omdat de weefsels in kamers zijn in contact met ondoordringbare wanden van boven en onder, er geen voedingsstoffen hellingen langs de dikte (0,15 mm) van het weefsel. Na 24 uur incubatie alle cellagen langs de dikte van het weefsel zijn dus gelijk en de enige heterogeniteit in een richting weg van het stromingskanaal.
- Schakel V Fin, de spuit pomp te stoppen, verwijder spuit S F van de pomp en vervang deze door een spuit met medium dat 0,25 ul / ml CaspGLOW Red actief caspase-3 marker (Red-DEVD-FMK, BioVision, Mountain View, CA).
- Handmatig leegmaken 0,7 ml van deze oplossing door de inrichting om verplaatsing van ouder medium waarborgen. Monteer de spuit op de pomp, start stroom, en open V Fin. Over een periode van 5-8 uur, de apoptose detectiemiddel diffundeert tHij weefsel en fluoresceert helderder in apoptotische regio's. Apoptose detectiemiddel bij deze concentratie wordt gehandhaafd in alle volgende oplossingen stroom in het apparaat.
Opmerking:
- Weefsel heterogeniteit kan worden bevestigd door het verkrijgen van lineaire intensiteit profielen van de fluorescentie, zoals beschreven in hoofdstuk 6. De profielen moeten tonen ruimtelijke gradiënten in apoptose, wat bevestigt dat het weefsel is heterogeen met betrekking tot levensvatbaarheid van de cellen.
- CaspGLOW Green actief caspase-3 marker (fluoresceïne-DEVD-fmk, BioVision) kan ook worden gebruikt om apoptose te detecteren. Deze markering bevat het groene fluorofoor fluoresceïne in plaats van de rode fluorofoor rhodamine.
5. Invoering van het therapeutische middel
- Volg de procedure in stappen 4.1-4.2 tot 10 uM doxorubicine hydrochloride (Dox, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) invoeren die apoptose detectiemiddel.
- Ga door stroming van de therapeutic middel oplossing voor een vaste periode van tijd. Afsluitklep V Fin en zet de injectiepomp. Vervang de behandeling spuit met een vers medium spuit met apoptose detectiemiddel. Laat toevoer van verse medium voor 24 -36 uur, terwijl continue monitoring van het weefsel onder een microscoop.
6. Time-lapse microscopie en Raming van de Drug diffusiviteit coëfficiënten
Voor het verkrijgen van schoonste fluorescentie gegevens, verwerven alle beelden door zich te richten de microscoop op de onderste lagen van de weefsels. Omdat er geen voedingsstof gradiënten in de verticale richting (zie paragraaf 4), de onderste lagen van cellen zijn goed vertegenwoordigers van alle andere lagen boven.
- Het gehele overnameproces werd geautomatiseerd met een aangepaste script in IPLab (BD Bioscience, Rockville, MD). Verwerven doorgelaten licht en fluorescentiebeelden van verpakte bolvormige bij 10x vergroting elke 30 minuten (Fig. 3A). Acquire een beeld van de achtergrond fluorescentie voorafgaand aan het inbrengen van Dox. Ruimte maken voor de grootte van de kamer (1000 urn x 300 um), in twee aangrenzende beelden en ze samen tegel 4.
- Voor wiskundige schatting van drug diffundeerbaarheid coëfficiënten, de eerste stap is het genereren gemiddelde lineaire intensiteitsprofielen van Dox fluorescentie met ImageJ. Selecteer een rechthoekig gebied van belang (ROI) omvat het weefsel in de kamer. Gebruik de Plot Profile opdracht om een profiel van gemiddelde intensiteiten als functie van de afstand tot het stromingskanaal genereren. Herhaal dit voor maximaal 3 verschillende tijdstippen.
- Zorg voor een achtergrond fluorescentie beeld vóór de invoering van Dox te autofluorescentie meten van het weefsel. Trek de gemiddelde achtergrond fluorescentie intensiteit van het verkregen intensiteitsprofielen en normaliseren elk profiel de overeenkomstige maximale intensiteit te verkrijgen
(X, t) (Fig. 3B). - De volgende stap is de effectieve diffusiecoëfficiënt D van Dox evalueren binnen tumorweefsel. Dox diffusie kan worden voorgesteld door de volgende vergelijking 5
waarbij FOUT.COMPLEMENT is de complementaire foutfunctie, x de afstand is in het weefsel van het kanaal, en t de tijd na introductie van Dox (zie Fig. 3). Gebruik de volgende iteratieve schema op elk beschouwd tijdstip:- Guess een waarde voor D
- Bereken rechterzijde van de vergelijking op elke locatie x
- Bereken de som van de gekwadrateerde fouten (rest) tussen beide partijen
- Wijzig D om de resterende minimaliseren
- Gemiddelde optimale waarden van D verkregen op elk tijdstip de gemiddelde effectieve diffusiecoëfficiënt van Dox in het weefsel te schatten.
(X, t) (Fig. 3B). 
7. Representatieve resultaten:
<p class = "jove_content"> De microfluïdische inrichtingen 1mm x 0.3mm x 0.15mm optisch toegankelijk cultuur kamers voor de groei van de drie-dimensionale tumorweefsel. Meercellige tumor sferoïden werden gevlogen in deze kamers en werden vastgehouden door twee filter berichten aan de achterkant. De opknoping druppel methode toegestaan snelle vorming van bolvormige deeltjes van consistente grootte en vorm van verschillende cellijnen. Sferoïden met succes gegroeid op het apparaat tot 3 dagen. Groei in de kamers werd geassocieerd met een reproduceerbare modificatie van micro-omgevingen in sferoïden. Apoptosis zich minder in cellen in de nabijheid van het stromingskanaal en hogere dieper in het weefsel. Het apparaat werd gebruikt om de diffusiecoëfficiënt van doxorubicine in tumorweefsel schatten. De verkregen waarde van 8,75 x 10 -7 cm 2 s -1 eens met de waarde van 9,1 x 10 -7 cm 2 s -1 eerder gerapporteerd 6 in humane borstkanker.| Cell Line | Vereiste celconcentratie | Incubatie tijd |
| LS174T | 300 cellen / ul | 2-3 dagen |
| T47D | 750 cellen / ul | 3-4 dagen |
| MDA-MB-231 | 150 cellen / ul | 5-6 dagen |
Tabel 1. Parameters voor Opknoping Drop sferoïden
| Deel | Beschrijving |
| S F | Flow Spuit |
| S P | Verpakking Spuit |
| V Fin | Flow inlaatklep |
| V Pin | Verpakking inlaatklep |
| V Fout | Stromingsuitlaatpunt Valve |
| V Pout | Verpakking Outlet Valve |
Tabel 2. Spuiten en kleppen in Flow Setup
Figuur 1 Schema van de stroom setup V Fin en V Fout:. Flow inlaat-en uitlaatkleppen, V Pin en V Pout: Verpakking-en uitlaatkleppen, S F en S P: Flow en verpakking spuiten. De verpakking spuit en verpakking en uitlaatkleppen worden gebruikt wanneer een bolvormige gevlogen in de kamer. De stroming spuit en stroom-en uitlaatkleppen worden vervolgens stromen medium.
Figuur 2. Schematische voorstelling van een sferoïde opgesloten in een kamer op het apparaat. A sferoïde is gestroomd in de kamer op het apparaat en wordt geblokkeerd door twee filter posts aan de achterkant van de kamer.
Figuur 3. Doxorubicine diffusie in tumorweefsel op het apparaat. A. Samengevoegd doorvallend licht en rode fluorescente beeld van weefsel, die de plaats en de concentratie van doxorubicine (in het rood). Scale balk vertegenwoordigt 250 pm. B. genormaliseerde lineaire intensiteit profiel van doxorubicine fluorescentie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De bloedvaten in tumoren is schaars en slecht ontwikkelde 7,8. Er zijn regio's die ver gelegen (> 100 um) van de bloedvaten die niet toegankelijk zijn voor voedingsstoffen en medicijnen geleverd hoewel het vaatstelsel 9. Het resulterende heterogene micro bijdraagt tot de beperkte werkzaamheid van veel chemotherapeutica 10. Het microfluïdische apparaat hier ontwikkeld reconstrueert een heterogene tumor micro gekenmerkt door proliferatie, rustige en apoptotische of necrotische cellen in vitro. Cellen in de nabijheid van het kanaal de levensvatbare maar diffusiebeperkingen leiden tot voedingsoogpunt deficiënte apoptotische gebieden ver van het kanaal. Het stromingskanaal vormt een bloedvat en de bolvormige vertegenwoordigt een klein gebied binnen een tumor naast een bloedvat.
Terwijl de invoering van sferoïden in het apparaat, ervoor te zorgen dat de geperforeerde inlaat gat is schoon en vrij van vuil, omdat elke belemmering voor doorstroming van het weefselzal leiden dat de kamer, of een gebroken sferoïde te vullen. De verpakking spuit wordt handmatig bediend tijdens het proces van invoering sferoïden. Het debiet moet worden gehandhaafd zo laag mogelijk om te vermijden dat de bolvormige tussen de palen aan de achterkant van de kamer. Zoals met alle microfluïdische apparaten, moeten bepaalde maatregelen worden genomen om bellen in het systeem te voorkomen, vooral bij het schakelen spuiten. Snijden van een stukje buis telkens een spuit wordt ingeschakeld zal helpen voorkomen bellen.
Modificaties aan het apparaat gebruik te maken van meerdere kamers en meerdere behandelingen in een enkel experiment kunnen zijn aan de gang. Wij geloven dat deze apparaten kunnen worden gebruikt om het gedrag van de huidige kankertherapieën in solide tumoren begrijpen. Ze kunnen ook worden gebruikt als gemakkelijk drug-screening platforms construeren van nieuwe kankertherapieën ontwikkelen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door het National Institute of Health subsidie # 1R01CA120825-01A1, de Collaborative Biomedical Research (CBR) Program aan de Universiteit van Massachusetts Amherst, en de Isenberg Scholarship voor Bhushan J. Toley. We dankbaar erkennen de waardevolle bijdrage van James Schafer, de videograaf, verteller, en redacteur van deze video.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silicone elastomer kit | Ellsworth Adhesives | 184 Sil Elast Kit | |
| Miltex biopsy punch | MedexSupply | MTX-33-31AA | 1.5 mm |
| PTFE tubing | Cole-Parmer | EW-06417-31 | 0.032" ID |
| Male luer lock connector | Qosina | 65111 | |
| Barbed female luer lock connector | Qosina | 11556 | |
| Shut-off valve | Idex Health and Science | P-721 | |
| Y-connector | Idex Health and Science | P-513 | |
| 20G 1.5" needles | BD Biosciences | 305176 | |
| Trypsin-EDTA | Invitrogen | 25300-054 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H-4034 | |
| CaspGLOW Fluorescein | Biovision Inc. | K183-25 | |
| CaspGLOW Red | Biovision Inc. | K193-25 | |
| Doxorubicin Hydrochloride | Sigma-Aldrich | 44583 | |
| LS174T | ATCC | CCL-188 | Human Colon Carcinoma cell line |
| T47D | ATCC | HTB-133 | Human Ductal Carcinoma cell line |
| MDA-MB-231 | ATCC | HTB-26 | Human Mammary Adenocarcinoma cell line |
References
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Anal. Chem. 70, 4974-4984 (1998).
- Kelm, J. M., Timmins, N. E., Brown, C. J., Fussenegger, M., Nielsen, L. K. Method for generation of homogeneous multicellular tumor spheroids applicable to a wide variety of cell types. Biotechnol. Bioeng. 83, 173-180 (2003).
- Timmins, N. E., Nielsen, L. K. Generation of multicellular tumor spheroids by the hanging-drop method. Methods. Mol. Med. 140, 141-151 (2007).
- Kasinskas, R. W., Forbes, N. S. Salmonella typhimurium specifically chemotax and proliferate in heterogeneous tumor tissue in vitro. Biotechnol. Bioeng. 94, 710-721 (2006).
- Walsh, C. L. A multipurpose microfluidic device designed to mimic microenvironment gradients and develop targeted cancer therapeutics. Lab. Chip. 9, 545-554 (2009).
- Lankelma, J., Fernandez Luque, R., Dekker, H., Schinkel, W., Pinedo, H. M. A mathematical model of drug transport in human breast cancer. Microvasc. Res. 59, 149-161 (2000).
- Less, J. R., Skalak, T. C., Sevick, E. M., Jain, R. K. Microvascular architecture in a mammary carcinoma: branching patterns and vessel dimensions. Cancer. Res. 51, 265-273 (1991).
- Brown, J. M., Giaccia, A. J. The unique physiology of solid tumors: opportunities (and problems) for cancer therapy. Cancer. Res. 58, 1408-1416 (1998).
- Thomlinson, R. H., Gray, L. H. The histological structure of some human lung cancers and the possible implications for radiotherapy. Br. J. Cancer. 9, 539-549 (1955).
- Minchinton, A. I., Tannock, I. F.
