En parkopplad pärla och Magnet matris för gjutning mikrobrunnar med variabel konkav geometrier
Summary
Detta manuskript introducerar en robust metod för att fabricera konkav mikrobrunnar utan behov av komplexa hög kostnad anläggningar. Med hjälp av magnetkraft, stål pärlor, och en genomgående hål, bildades flera hundra mikrobrunnar ett 3 x 3 cm Polydimetylsiloxan (PDMS) substrat.
Abstract
En sfäroid kultur är ett användbart verktyg för att förstå cellulära beteende genom att det ger en in-vivo-som tredimensionell miljö. Olika sfäroid produktionsmetoder stem som icke-häftande ytor, spinner kolvar, hängande droppar och mikrobrunnarna har använts i studier av cell-till-cell interaktioner, immun-aktivering, drug screening, celldifferentiering och organoid generation. Bland dessa metoder, har mikrobrunnar med en tredimensionell konkav geometri fått uppmärksamhet av forskare och ingenjörer, med tanke på deras fördelar med enhetlig storlek sfäroid generation och den lätthet med vilken svaren från enskilda spheroids kan vara övervakas. Även om kostnadseffektiva metoder såsom användning av flexibla membran och is litografi har föreslagits, medföra dessa tekniker allvarliga nackdelar såsom svårigheter att kontrollera de mönster storlekarna, uppnåendet av hög bildformat och produktion av större områden i mikrobrunnarna. För att övervinna dessa problem, föreslår vi en robust metod för att fabricera konkav mikrobrunnar utan behov av komplexa hög kostnad anläggningar. Den här metoden utnyttjar en 30 x 30 hålmontering array, flera hundra mikrometer-order stål pärlor och magnetisk kraft att fabricera 900 mikrobrunnar i ett 3 x 3 cm Polydimetylsiloxan (PDMS) substrat. För att demonstrera tillämpligheten av vår metod att cellen biologiska applikationer, vi odlade fett stamceller i 3 dagar och framgångsrikt producerat spheroids använder vår mikrobrunn plattform. Dessutom har vi utfört en magnetostatiska simulering för att undersöka mekanismen, whereby magnetisk kraft användes för att fälla stål pärlorna i de genomgående hål. Vi anser att den föreslagna mikrobrunn fabrication metoden kan tillämpas på många sfäroid-baserade cellulära studier såsom drogkontroll, vävnadsregeneration, stamcellers differentiering och cancer metastaser.
Introduction
Celler odlas till sfäroid form är mer lik riktig vävnad i kroppen än en tvådimensionell planar kultur1. Med tanke på denna fördel, har användning av spheroids antagits för att förbättra studien av celler interaktion2,3, immun-aktiveringen4, drug screening5och differentiering6. Spheroids införliva flera celltyper har dessutom nyligen tillämpats på organoids (nära-fysiologiska tredimensionella (3D) vävnad), som är mycket användbara för att studera människans utveckling och sjukdom7. Flera metoder har använts för att producera spheroids. Den enklaste metoden innebär användningen av en icke-häftande yta, så att cellerna samlade med varandra och bildar spheroids. En petriskål kan behandlas med bovint serumalbumin, pluronic F-127 eller en hydrofoba polymer (e.g. poly 2-hydroxyethl form) att göra dess yta icke-häftande89. Spinner-kolven metoden är ett annat välkänt sätt att producera stora mängder spheroids10,11. Den här metoden hålls celler i suspension genom omrörning för att förhindra dem från att bli kopplad till substratet. I stället celler den flytande aggregat till formuläret spheroids. Både icke-häftande yta metod och spinner kolven metoden kan producera stora mängder spheroids. De är dock begränsningar inklusive svårigheter att styra storleken sfäroid, samt spårning och övervakning av varje sfäroid. Som ett botemedel mot sådana problem, en annan sfäroid produktionsmetod, nämligen hängande släpp metoden kan vara sysselsatta12. Detta innebär att deponera cell suspension droppar på undersidan av locket på en kultur maträtt. Dessa droppar är vanligtvis 15 till 30 µL i storlek och innehåller ungefär 300 till 3000 celler13. När locket är inverterad, hålls dropparna på plats av ytspänning. Mikrogravitation miljö i varje droppe koncentrerar cellerna, som sedan utgör enda spheroids i fri vätska-luft-gränssnittet. Fördelarna med hängande droppe metod är att det erbjuder en väl kontrollerad storleksfördelning, medan det är lätt att spåra och övervaka varje sfäroid, i förhållande till de icke-häftande yta och spinner kolv metoderna. Men denna metod medför en nackdel i det massiva produktionen av spheroids och produktionsprocessen själv är överdrivet labor intensiv.
En mikrobrunn array är en platt tallrik med många mikro-storlek brunnar, vardera med en diameter som sträcker sig från 100 till 1000 µm. Sfäroid produktion principen när du använder mikrobrunnar är liknande till det av metoden icke-vidhäftande ytan. Fördelar inkluderar det faktum att mikrobrunnar ger blanksteg mellan mikrobrunnarna för att separera de celler eller spheroids, sådan att det är lätt att kontrollera sfäroid storlek, samtidigt som också gör det lätt att övervaka varje enda sfäroid. Med ett stort antal mikrobrunnar är hög genomströmning sfäroid produktion också möjligt. En annan fördel med mikrobrunnar är alternativet till formuläret brunnar i olika former (sexsidiga, cylindriska, Trigonala prismatiska) beroende på användarnas unika experimentella syften. Generellt dock anses en tredimensionell (3D) konkav (eller halvrunda) form vara den mest lämpliga för att producera enhetlig storlek enda spheroids. Därför, nyttan av konkava mikrobrunnarna har rapporterats för många cellbiologi studier som undersöker hjärtmuskelcellen differentieringen av stamceller14, insulinutsöndringen av islet cell kluster15, den enzymaktivitet av hepatocyter16och läkemedelsresistens av tumör spheroids17.
Tyvärr, tillverkning av mikrobrunnarna ofta kräver specialiserade micropatterning faciliteter; konventionella photolithography-baserade metoder kräver exponering och utveckla faciliteter medan reactive ion-etsning-baserade metoder behöver plasma och ion-beam utrustning. Sådan utrustning är dyrt som, tillsammans med komplicerade tillverkningsprocessen, presenterar ett höga inträdeshinder för biologer som inte har tillgång till Mikroteknologi. För att övervinna dessa problem, andra kostnadseffektiva metoder såsom is litografi18 (med frusna vattendroppar) och den flexibla membran metod14 (med ett membran, hålmontering substrat och vakuum) har föreslagits. Dock medföra dessa metoder också allvarliga nackdelar som det är svårt att styra mönster storlekarna, uppnåendet av hög bildformat och produktion av större-området mikrobrunnar.
För att lösa ovanstående frågor, föreslår vi en roman konkav mikrobrunn fabrication metod utnyttjar ett genomgående hål substrat, stål pärlor och en magnet-matris. Med den här metoden kan hundratals konkav sfäriska mikrobrunnar fabriceras genom att utnyttja mekanismen för magnetiska-kraft-assisted självlåsande metalliska pärlor (figur 1). Tillverkningsprocessen innebär användning av mycket få dyra och komplicerade faciliteter och kräver inte avancerade kunskaper i många. Som sådan, kan även outbildade personer enkelt genomföra denna tillverkning metod. För att demonstrera den föreslagna metoden, odlades mänskliga-adipose-härledda stamceller i konkava mikrobrunnarna att producera spheroids.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den stora utmaningen för denna tillverkning metod var säkert fastställande av pärlorna i matrisen genom hål i aluminium plattan. För att lösa denna utmaning, användes magnetisk kraft i form av en 30 x 30 magnet-matris fixar pärlorna ordentligt, som visas i figurerna 6 och 7. Den magnetisk flödestäthet i magnet matrisen, som har motsatt polaritet, är starkast i mitten av varje magnet yta. Eftersom styrkan i den magnetiska kraften beror på flödestäthet, vägleddes pärlorna …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöds av grundläggande vetenskap forskningsprogrammet genom den nationella Research Foundation i Korea (NRF) finansieras av ministeriet för vetenskap, IKT och framtida planering (NRF-2014R1A1A2057527 och NRF-2016R1D1A1B03934418).
Materials
| CNC rotary engraver | Roland DGA | EGX-350 | |
| Micro drill bit | HAM Präzision | 30-1301 TA | Φ 0.55 and 0.75 mm |
| Sulfuric acid 98% | Daejung | 7683-4100 | For cleaning aluminum plate. Dilute with distilled water with 15% solution |
| Neodymium magnet | Supermagnete | W-01-N | 1 x 1 x 1 mm |
| Bearing ball | Agami Modeling | SUJ2 | Φ 600 μm steel bead |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dowcorning | Sylgard 184 | |
| Pluronic F-127 | Sigma Aldrich | p2443 | Dilute with phosphate buffered saline to 4% (w/v) solution |
| Dulbecco's modified eaggle's medium (DMEM) | ATCC | 30-2002 | |
| Dulbecco's phosphate buffered saline (D-PBS) | ATCC | 30-2200 | |
| Fetal bovine serum | ATCC | 30-2020 | |
| Adipose-derived mesenchymal stem cells | ATCC | ATCC PCS-500-011 |
References
- Fennema, E., Rivron, N., Rouwkema, J., van Blitterswijk, C., de Boer, J. Spheroid culture as a tool for creating 3D complex tissues. Trends Biotechnol. 31 (2), 108-115 (2013).
- Djordjevic, B., Lange, C. S. Hybrid spheroids as a tool for prediction of radiosensitivity in tumor therapy. Indian J Exp Biol. 42 (5), 443-447 (2004).
- Takezawa, T., Yamazaki, M., Mori, Y., Yonaha, T., Yoshizato, K. Morphological and immuno-cytochemical characterization of a hetero-spheroid composed of fibroblasts and hepatocytes. J Cell Sci. 101 (3), 495-501 (1992).
- Gottfried, E., Kunz-Schughart, L. A., Andreesen, R., Kreutz, M. Brave little world: spheroids as an in vitro model to study tumor-immune-cell interactions. Cell Cycle. 5 (7), 691-695 (2006).
- Zhang, X., et al. Development of an in vitro multicellular tumor spheroid model using microencapsulation and its application in anticancer drug screening and testing. Biotechnol Prog. 21 (4), 1289-1296 (2005).
- Kim, B. C., et al. Microwell-mediated micro cartilage-like tissue formation of adipose-derived stem cell. Macromol Res. 22 (3), 287-296 (2014).
- Fatehullah, A., Tan, S. H., Barker, N. Organoids as an in vitro model of human development and disease. Nature cell biology. 18 (3), 246-254 (2016).
- Yuhas, J. M., Li, A. P., Martinez, A. O., Ladman, A. J. A simplified method for production and growth of multicellular tumor spheroids. Cancer Res. 37 (10), 3639-3643 (1977).
- Hamilton, G. A., Westmoreland, C., George, E. Effects of medium composition on the morphology and function of rat hepatocytes cultured as spheroids and monolayers. In Vitro Cell Dev Biol-Animal. 37 (10), 656-667 (2001).
- Nyberg, S. L., et al. Rapid, large-scale formation of porcine hepatocyte spheroids in a novel spheroid reservoir bioartificial liver. Liver Transplant. 11 (8), 901-910 (2005).
- Lazar, A., et al. Extended liver-specific functions of porcine hepatocyte spheroids entrapped in collagen gel. In Vitro Cell Dev Biol-Animal. 31 (5), 340-346 (1995).
- 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 (2), 173-180 (2003).
- Lin, R. Z., Chang, H. Y. Recent advances in three-dimensional multicellular spheroid culture for biomedical research. Biotechnol J. 3 (9-10), 1172-1184 (2008).
- Choi, Y. Y., et al. Controlled-size embryoid body formation in concave microwell arrays. Biomaterials. 31 (15), 4296-4303 (2010).
- Hwang, J. W., et al. Functional clustering of pancreatic islet cells using concave microwell array. Macromol Res. 19 (12), 1320-1326 (2011).
- Wong, S. F., et al. Concave microwell based size-controllable hepatosphere as a three-dimensional liver tissue model. Biomaterials. 32 (32), 8087-8096 (2011).
- Yeon, S. E., et al. Application of concave microwells to pancreatic tumor spheroids enabling anticancer drug evaluation in a clinically relevant drug resistance model. PloS one. 8 (9), (2013).
- Park, J. Y., Hwang, C. M., Lee, S. H. Ice-lithographic fabrication of concave microwells and a microfluidic network. Biomed Microdevices. 11 (1), 129-133 (2009).
- Corning, D. . Sylgard 184 Silicone Elastomer. Technical Data Sheet. , (2008).
- Giang, U. B. T., Lee, D., King, M. R., DeLouise, L. A. Microfabrication of cavities in polydimethylsiloxane using DRIE silicon molds. Lab on a Chip. 7 (12), 1660-1662 (2007).
- Choi, J. S., et al. Capture and culturing of single microalgae cells, and retrieval of colonies using a perforated hemispherical microwell structure. RSC Advances. 4 (106), 61298-61304 (2014).
- Zhong, K., Gao, Y., Li, F., Zhang, Z., Luo, N. Fabrication of PDMS microlens array by digital maskless grayscale lithography and replica molding technique. Optik. 125 (10), 2413-2416 (2014).
- Lai, D., et al. Simple multi-level microchannel fabrication by pseudo-grayscale backside diffused light lithography. RSC advances. 3 (42), 19467-19473 (2013).
- Pan, J., et al. Fabrication of a 3D hair follicle-like hydrogel by soft lithography. J Biomed MAter Res A. 101 (11), 3159-3169 (2013).
- Mori, R., Sakai, Y., Nakazawa, K. Micropatterned organoid culture of rat hepatocytes and HepG2 cells. J Biosci Bioeng. 106 (3), 237-242 (2008).
