Summary
ويصف هذا المنشور تصنيع جهاز الجهاز على رقاقة مع أقطاب متكاملة للتحديد الكمي المباشر للمقاومة الكهربائية ترانسيندوثيليال (طير). للتحقق من الصحة، كان يحاكي حاجز الدم في الدماغ داخل هذا الجهاز موائع جزيئية ورصد وظيفتها الحاجز. عرض طرق التكامل الكهربائي ومباشرة طير الكمي قابلة للتطبيق عموما.
Abstract
الأجهزة على الرقائق، في المختبر النماذج التي تنطوي على ثقافة الأنسجة (الإنسان) داخل أجهزة موائع جزيئية، هي سرعة الناشئة، ووعد بتقديم مفيدة أدوات البحث لدراسة صحة الإنسان والمرض. لتوصيف وظيفة الحاجز من طبقات الخلايا المزروعة داخل الجهاز في رقاقة الأجهزة، يقاس غالباً ما ترانسيندوثيليال أو ترانسيبيثيليال المقاومة الكهربائية (طير). وتحقيقا لهذه الغاية، تتكامل أقطاب عادة الرقاقة بأساليب ميكروماتشينينج لتوفير قياسات أكثر استقرارا مما تم تحقيقه مع الإدراج اليدوي لأقطاب في مداخل للرقاقة. بيد هذه الأقطاب كثيرا ما تعرقل التفتيش البصري طبقة خلية درس أو تتطلب عمليات مكلفة تنظيم لتلفيق. للتغلب على هذه القيود، يحتوي الجهاز الموضح هنا على أربعة أقطاب المتكاملة بسهولة التي يتم وضعها وثابتة خارج منطقة الثقافة، مما يجعل من الممكن الفحص البصري. باستخدام هذه أربعة أقطاب المقاومة من ستة قياس مسارات يمكن قياسها كمياً، منه طير يمكن أن تكون مباشرة معزولة، مستقلة عن مقاومة ميكروتشانيلس مليئة بالثقافة المتوسطة. حاجز الدم في الدماغ تم تكرارها في هذا الجهاز وتم رصد لها طير لإظهار مدى انطباق الجهاز. هذه الرقاقة، واقطاب كهربائية متكاملة وطريقة تصميم طير قابلة للتطبيق عموما في الأجهزة-على-رقائق، سواء لتقليد الأجهزة الأخرى أو لإدراجها في القائمة الجهاز على رقاقة النظم.
Introduction
سرعة الأجهزة على رقائق الناشئة باعتبارها جديدة وواعدة فئة في المختبر نماذج الأنسجة. 1 في هذه النماذج، تستزرع خلايا داخل أجهزة موائع جزيئية التي صممت بطريقة أنها تحاكي المكروية الفسيولوجية لتلك الخلايا. 1 , 2 هذه النتائج في السلوك الفسيولوجية أو المرضية أكثر واقعية من تلك الخلايا مما يمكن توقعه من النماذج التقليدية في المختبر لتصميم بسيط ووظيفتها الأساسية. 3 , 5 , 6 بالإضافة إلى ذلك، أجهزة على رقائق توفير بيئة يمكن السيطرة عليها أفضل من النماذج في فيفو ويمكن إدماج الأنسجة السليمة والمريضة سواء من أصل البشرية لتكرار إخلاص البشرية علم وظائف الأعضاء وعلم الأمراض. التقدم مؤخرا ملخصة في وضع حواجز الدماغ – الدم على رقائق (ببس على رقائق) تظهر أن الحقل يتحرك بسرعة إلى الأمام. 7
وهناك ميزة أخرى للأجهزة على رقائق أنها تتيح الرصد في الوقت الحقيقي والمستمر للأنسجة المزروعة داخل الجهاز بالفحص المجهري والتحاليل البيوكيميائية على شبكة الإنترنت وأجهزة الاستشعار المتكاملة. 1 , 2 على سبيل المثال، قياس المقاومة الكهربائية ترانسيندوثيليال أو ترانسيبيثيليال (طير) وسيلة قوية لرصد تطور غير إينفاسيفيلي، وتعطل تشكيل حاجز الأنسجة. 8 , 9 , 10 طير المقاومة الكهربائية عبر حاجز خلوية وهو لذلك يدل على سلامة الحاجز والنفاذيه. 10 في الأجهزة على الرقائق، الحواجز الخلوية عموما تستزرع في غشاء الذي يفصل بين اثنين من قنوات فلويديك، تمثل في قمي ومقصورات باسولاتيرال لأن النسيج الحاجز. في هذه الرقائق، يمكن إجراء قياسات طير مريح مع أقطاب إدراجها في مداخل ومنافذ للقناتين. 3 , 4 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 بيد الإدراج اليدوي وإعادة الإدماج من أقطاب كهربائية يمكن بسهولة يؤدي أخطاء التنسيب وهكذا في الاختلافات في المقاومة المقاسة مثل الاختلافات في المقاومة لمسارات أطول أو أقصر من خلال ميكروتشانيلس تتم مقارنة هامة لمقاومة الجدار خلية. 16 للقضاء على أخطاء إعادة الإدماج، الأجهزة مع أقطاب المتكاملة قد اقترحت. ومع ذلك، معظم هذه الأقطاب المتكاملة كتلة الرأي عند تفتيش زراعة الأنسجة17،18،19،،من2021 و/أو تتطلب المتخصصة تنظيم عمليات التصنيع. 17 , 22
الجهاز الجهاز على رقاقة الوارد وصفها في هذه النشرة، التي تطبق أولاً في منشور سابق،16 يجمع بين استقرار أقطاب متكاملة مع بروز طبقة الخلية المقاسة وسهلة التصنيع. تصميم وتصنيع هذه الرقاقة هو مبين في الشكل 1. باختصار، هذا الجهاز يتكون من جزأين بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS) مع بصمات القناة التي يتم المستعبدين معا خالية من التسرب مع غشاء البولي مع 0.4 ميكرومتر المسام بين بين. يتم إدراج أربعة أسلاك البلاتين الأقطاب وثابتة في مكانها مع فوتوكورابل لاصقة جيدا خارج مجال الثقافة. ويمكن إجراء كل هذه الخطوات تلفيق مع معدات المختبرات العامة، دون الحاجة إلى وجود بيئة تنظيم. علاوة على ذلك، يمكن أن يتم ستة معاوقة القياسات باستخدام هذه الأقطاب الأربعة، مما يسمح لعزله مباشرة من طير المقاسة، مستقلة عن مقاومة ميكروتشانيلس المؤدية إلى المقطع العرضي، وهكذا التقليل من التأثير غير البيولوجية الاختلافات في النظام مثل (إعادة) أخطاء الإدراج. 16
لإظهار مدى انطباق هذا الجهاز والقياسات طير مباشرة، تم نسخ حاجز الدم في الدماغ (بي بي بي) في هذه الشريحة. هذا الحاجز البيولوجي يتكون من خلايا بطانية المتخصصة وينظم النقل بين الدم والدماغ لتوفير التوازن في الدماغ. 23 , 24 لتقليد BBB، القناة أعلى الجهاز موائع جزيئية قد اصطف مع البشرية خلايا بطانية microvascular الدماغي من خط خلية هكميك/D3 (يرجى تقديم الدكتور ص. ب كورو، INSERM، باريس، فرنسا). أسلوب عرضها 25 ، بيد أعم تنطبق على أي جهاز الجهاز على رقاقة مع مقصورات اثنين، مما يتيح تحديد طير مباشرة بسهولة باستخدام المتكاملة أقطاب.
في هذه المخطوطة، أولاً يتم وصف عملية تصنيع الجهاز رقاقة على الجهاز مع أقطاب متكاملة. التالي، والبذر الداخلي والثقافة من خلايا الدماغ بطانية داخل الجهاز هو أوضح، فضلا عن القياسات طير على شريحة. في المقطع "النتائج"، تظهر الممثلة طير القياسات ويتم توضيح معالجة البيانات. وأخيراً، يرد وظيفة الحاجز BBB-على شريحة، رصد خلال 3 أيام،، إظهار انطباق الأجهزة المقدمة وأساليب لرصد طير.
Protocol
1-تصنيع الجهاز الجهاز على رقاقة
- إنشاء نسخة متماثلة PDMS من العفن مع تصاميم قناة، ملفقة باستخدام تقنيات الطباعة التصويرية القياسية، والحصول على أجزاء PDMS رقاقة موائع جزيئية.
قاعدة
- تزن حوالي 27 ز PDMS عامل وعامل المعالجة 2.7 ز؛ ونسبة الشامل يجب أن يكون 10:1. وهذا أمر جيد للوح PDMS 3 مم سميكة على العفن مع 130 مم (5 بوصة). خلط هذه المكونات جيدا.
- ديغا المخلوط في مجفف لما يقرب من 45 دقيقة لإزالة فقاعات الهواء-
- في الوقت نفسه، تحضير القالب خليط PDMS السائل الشائكة الشريط واضحة حول العفن أو ضع القالب في حامل مناسب ويفر-
- صب الخليط PDMS ديجاسيد على القالب. إذا كان أي الهواء فقاعات ظلت في خليط PDMS أو على سطح العفن، ديغا أنها مرة أخرى لما يقرب من 30 دقيقة
- علاج PDMS الخليط في فرن عند 60 درجة مئوية ل h. 4 السماح لتبرد.
- في غطاء التدفق عبر، سحب PDMS شُفي من العفن؛ العفن يمكن إعادة استخدامها فورا لجعل المزيد من النسخ المتماثلة PDMS.
- يقتطع النسخة المتماثلة PDMS منفصلة أعلى وأسفل رقاقة أجزاء باستخدام قطع خطوط في PDMS.
- لكمه أربع فتحات في الأجزاء العليا استخدام لكمه خزعة حادة مع قطر 1 مم للنموذج مداخل ومنافذ. لكمه من الداخل إلى الخارج لمنع الحطام PDMS من جمع في الشريحة. تغطي الأجزاء رقاقة مع الشريط واضحة لحمايتهم من الغبار.
- قص أغشية البولي من إدراج ترانسويل إلى مربعات حوالي 3 × 3 مم 2-
- تجميع غشاء مسامية خالية من التسرب بين جزأين PDMS بغية تجميع جهاز طبقتين موصول مع غشاء مسامية.
ملاحظة: هذا البروتوكول مقتبس من غريب وآخرون. 19 وشاه وآخرون. 26- تحضير قذيفة هاون PDMS/تولوين استخدام 0.7 غرام من وكيل قاعدة PDMS، 0.07 ز عامل التجفيف وميليلتر 540 من التولوين، مما أدى إلى نسبة وزن 5:3. الدوامة الهاون جيدا.
- تدور-معطف 200 ميليلتر من قذائف الهاون على ساترة زجاجية 1500 لفة في الدقيقة 60 s (رفعت في 1000 دورة في الدقيقة/s) للحصول على طبقة رقيقة وموحدة من قذائف الهاون-
- نقل طبقة رقيقة من قذائف الهاون من ساترة على جزء السفلي وجزء العلوي من الرقاقة مع اسطوانة حبر. وضع الجزء السفلي صحن الفرن آمنة.
- مع مجموعة من ملاقط، تراجع حواف غشاء إلى قذائف الهاون تدور المغلفة ووضعه بعناية في منتصف الجزء السفلي
- بعناية وضع الجزء العلوي على الجزء السفلي مع إيلاء اهتمام للمحاذاة.
ملاحظة: عدم الضغط على الرقاقة وعدم انزلاق الجزء العلوي فوق الجزء السفلي لمنع الهاون من دخول القنوات وانسداد الغشاء. - تغطية مداخل رقائق مع الشريط واضحة لمنع الغبار من الدخول إلى شرائح وتخبز لهم عند 60 درجة مئوية حاء 3
- إدماج أقطاب في قنوات جانبية.
ملاحظة: هذا البروتوكول مقتبس من غريب وآخرون. 19 ودوفيل et al. 18- قطع أسلاك البلاتين إلى قطع من حوالي 2 سم. نظيفة من غمر لهم في الأسيتون عن 30 دقيقة شطف مع الماء والايثانول والسماح لتجف.
- في غطاء تدفق الصليب، وضع شريحة على صحن بلاستيك. إدراج أربعة أسلاك البلاتين في قنوات القطب شريحة باستخدام زوج من ملاقط وينحني عليهم على الطبق البلاستيك لتمكين التثبيت للطبق في خطوة لاحقة. إدراج الأسلاك 0.7-1 مم في قناة الثقافة، في الماضي تقاطع القناة على شكل T.
- تطبيق قطره غراء الأشعة فوق البنفسجية عند مدخل قناة القطب والسماح بالغراء سد القناة حول مسرى بالقوى الشعرية.
- التبديل على الأشعة فوق البنفسجية وعلاج الغراء عندما تصل إلى نهاية القناة قطب.
تنبيه: لا ننظر إلى مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية، وهذا قد يضر بعينيك. - ثبت أقطاب متكاملة الأربعة إلى الطبق البلاستيك مع مادة لاصقة الإيبوكسي مكون اثنين. هذا يسمح لتسهيل التعامل أقطاب خلال قياسات دون التعرض لخطر سحب الأقطاب من الرقاقة.
- تغطي الرقائق مع الشريط واضح وخبز لهم عند 60 درجة مئوية ل 2 حاء السماح تبريد وتخزين خالية من الغبار حتى الاستخدام. وبهذه الطريقة يمكن أن تكون مخزنة بأمان لتصل إلى شهر-
2. الثقافة المستمدة من الدماغ خلايا بطانية على رقاقة
- معطف الرقائق لتعزيز مرفق خلية.
- تعبئة كل القنوات مع الفوسفات مخزنة المالحة (PBS) الرطب منها قبل إدخال الكواشف. الاختيار تحت مجهر إذا كان هناك أي فقاعات الهواء في القنوات. إذا كان الأمر كذلك، إزالتها بالتنظيف مع برنامج تلفزيوني إضافي.
- ملء كل القنوات مع 30 ميليلتر من 20 ميكروغرام/مل فيبرونيكتين البشرية في برنامج تلفزيوني. احتضان في 37 درجة مئوية لمدة 3 ساعات. التحقق من وجود فقاعات الهواء، وإذا لزم الأمر، مسح القنوات ببرنامج تلفزيوني والملء مع الحل فيبرونيكتين-
- مسح الرقائق مع متوسط نمو غشائي واحتضانها لهم في 37 درجة مئوية و 5% CO 2 في حاضنة ل 2 حاء قياس
- طير رقائق فارغة كما هو موضح في الخطوة 3 لضمان أن جميع الأقطاب على اتصال مباشر مع السائل في القنوات. في رقائق فارغة، هي القيم النموذجية طير 0-1 Ω سم 2.
- بذور الخلايا في أعلى القناة.
- إزالة المتوسطة الثقافة من قارورة ثقافة (75 سم 2 ثقافة المنطقة) مع أحادي الطبقة المتلاقية للبشرية الدماغية خلايا بطانية ميكروفاسكولار (هكميك/D3). أغسل
- الخلايا مع برنامج تلفزيوني. إضافة 2 مل 0.05% التربسين-يدتا واحتضان في 37 درجة مئوية و 5% CO 2 لمدة 2-5 دقائق حتى فصل الخلايا من قارورة الثقافة- إلغاء
- التربسين مع الثقافة المتوسطة وتستكمل مع 20% مصل بقرى الجنين (FBS). عد الخلايا وحساب إجمالي عدد الخلايا في تعليق-
- وفي الوقت نفسه، الطرد المركزي الخلايا هكميك/D3 في 390 س ز لمدة 5 دقائق وإزالة المادة طافية.
- ريسوسبيند بيليه الخلية في الحجم المناسب لمتوسط نمو غشائي (EGM-2) للوصول إلى تركيز من 5 × 10 6 خلايا/مل. وهذا يؤدي بكثافة بذر من 2 × 10 5 خلايا/سم 2 في الرقاقة.
- ببطء "الماصة؛" 30 ميليلتر من تعليق خلية مختلطة جيدا في القناة أعلى وإزالة الماصة من المدخل في حركة بطلاقة بينما لا يزال الضغط.
- التحقق من كثافة البذر تحت مجهر. ينبغي أن يتحقق توزيع موحد للخلايا في جميع أنحاء القناة العلوي-
- إينكوباتي الرقائق في 37 درجة مئوية و 5% CO 2 على الأقل 1 حاء طرد أي خلايا غير مرفقة مع بطانية الثقافة المتوسطة.
- الحفاظ على ثقافة بطانية على شريحة.
- مرتين يوميا، إدراج نصائح مليئة بالثقافة المتوسطة ماصة الخزانات في المداخل ويحل يحركها خطورة تدفق المتوسطة داخل الرقاقة.
ملاحظة: لتجنب فقاعات الهواء من الدخول ميكروتشانيلس وتدمير طبقة الخلية، تأكد لجعل الاتصال الموائع والسوائل بين طرف الماصة والسوائل على رأس الرقاقة قبل إدراج التلميح إلى مدخل. ويمكن تيسير ذلك بإضافة قطره صغيرة في في/منفذ قبل الإدراج ماصة. - أيضا إضافة ماصة نصيحة الخزانات في المنافذ لمنع القنوات من التجفيف.
- احتضان الرقائق في 37 درجة مئوية و 5% CO 2-
- مرتين يوميا، إدراج نصائح مليئة بالثقافة المتوسطة ماصة الخزانات في المداخل ويحل يحركها خطورة تدفق المتوسطة داخل الرقاقة.
3. على رقاقة القياسات طير
- بإعداد ال(ه) أجهزة قياس طير، تتألف من قفل في مكبر الصوت ودارة كبل تحقيق كما تم تحديده في رأس فإن دير وآخرون. 16 بدلاً من ذلك، تحليل بوتينتيوستاتس أو مقاومة أيضا مناسبة لهذه القياسات على أساس مقاومة طير.
- أخذ الشريحة من الحاضنة والسماح لها بالوصول إلى درجة حرارة الغرفة على الأقل 10 دقيقة إزالة أي سائل من الطبق البلاستيك حول أقطاب كهربائية لمنع سد قطب كهربائي خارج الرقاقة.
- أخذ الطيف مقاومة من 200 هرتز إلى 1 ميغاهرتز لكل تركيبة من قطبين، أسفر عن 6 أطياف مقاومة كل شريحة في فقط 5-10 دقيقة الاختيار إذا كان أطياف مقاومة الأحجام المتوقعة والأشكال للتحقق من صحة القياس طير، كما هو الموضحة في قسم النتائج-
- وضع الرقاقة مرة أخرى في الحضانة عند 37 درجة مئوية و 5% CO 2 بعد الانتهاء من القياس.
- عملية أطياف المعاوقة التي تم الحصول عليها للتوصل إلى قيمة طير تم تسويتها.
- الحصول قياس المقاومة
بين أقطاب 
و 
، كما تتم الإشارة إليها في الشكل 2 و د، من الهضبة مقاوم في 10 كيلوهرتز في أطياف مقاومة المقابلة.
أشر - حساب طير استخدام مقاومات قياس ستة المقابلة لشريحة واحدة في وقت واحد باستخدام المعادلة من الشكل 2 16:
في هذه المعادلة،
هو مجال الثقافة التي تم قياس المقاومة، < img alt = " المعادلة 5 "src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56334/56334eq5.jpg"/> هو مقاومة الجدار الخلوي والغشاء، 
، 
، 
، و 
بالمقاومة قياس القيم من خلال الجدار الخلوي و 
و 
تقاس قيم المقاومة في قنوات مباشرة. 16 المعادلة مشتق من معادلة الدائرة الموضحة في الشكل 2-
- الحصول قياس المقاومة
- طرح طير فارغة من طير في جميع النقاط الزمنية للحصول على التنمية طير في وقت.
بين أقطاب 
و 
، كما تتم الإشارة إليها في الشكل 2 و د، من الهضبة مقاوم في 10 كيلوهرتز في أطياف مقاومة المقابلة.
هو مجال الثقافة التي تم قياس المقاومة، < img alt = " المعادلة 5 "src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56334/56334eq5.jpg"/> هو مقاومة الجدار الخلوي والغشاء، 
، 
، 
، و 
بالمقاومة قياس القيم من خلال الجدار الخلوي و 
و 
تقاس قيم المقاومة في قنوات مباشرة. 16 المعادلة مشتق من معادلة الدائرة الموضحة في الشكل 2-Representative Results
وترد في الشكل 2Aالتخطيطي نتائج التحليل الطيفي المعاوقة الكهربائية عن طريق شريحة دون خلايا (خط متصل) وحاجز خلوية (خط متقطع). يمكن تحديد أربع مناطق رئيسية، وبعضها يهيمن عليها أحد مكونات كهربائية محددة. أدناه حوالي 1 كيلو هرتز، يهيمن على السعة طبقة مزدوجة في واجهة القطب-الثقافة المتوسطة، تتميز بمنحدر سلبي لمقاومة حجم ومرحلة تحول تقترب-90 °. التردد الذي يسيطر على السعة طبقة مزدوجة، يعتمد على منطقة القطب يتعرض للثقافة المتوسطة. الهضبة مقاوم أعلاه 1 كيلو هرتز (بدون خلايا) أو 100 كيلو هرتز (مع خلايا) مع مرحلة تحول قريبة من 0 °، يتوافق مع مقاومة متوسطة الثقافة داخل قنوات موائع جزيئية، اعتماداً على طول القناة ومنطقة مستعرضة، وداخل غشاء، اعتماداً على المسامية وسمك. عند قياس عن طريق حاجز خلوية، ينظر هضبة مقاوم إضافية بين 1 و 10 كيلوهرتز فضلا عن محلي كحد أقصى في الرسم التخطيطي للمرحلة. هذه المنطقة من الأهمية الحاسمة لتحديد طير كزيادة واضحة في نتائج مقاومة عندما خلايا موجودة في مسار المقاسة ولذلك يسمى "المنطقة للاهتمام". انحدار إضافية بين 10 و 100 كيلو هرتز يناظر السعة الحاجز الخلية، التي تنشأ من الدهن بلير الأغشية العازلة كهربائياً، واعتماداً على المساحة الإجمالية لطبقة الخلايا. 27 حدود هذه المناطق، فضلا عن مقادير مقاومة تعتمد على نظام قيد الدراسة وتغيير مع، من جملة أمور، أبعاد القناة، والمتوسطة الثقافة الموصلية، موقف القطب ونوع الخلية. لقراءة المزيد حول نظرية وممارسة التحليل الطيفي المعاوقة الكهربائية لتشكيل حاجز الأنسجة ينصح بمراجعة المقالة بينسون et al. . 28
تظهر بيانات تمثيلية من القياسات طير لشريحة فارغة وشريحة مع طبقة خلايا غشائي الدماغ هكميك/D3 في الشكل 2E و 2 واو، على التوالي. وباختصار، أجرى مقاومة التحليل الطيفي باستخدام قياسات الستة مع أربعة أقطاب: القياسات اثنين من خلال القنوات المملوءة بالثقافة المتوسطة الخلية (خطوط صلبة) والقياسات الأربعة من خلال القنوات، فضلا عن الغشاء--وإذا كان هذا- الجدار الخلوي (خطوط متقطعة). ويمكن تحديد هذه المسارات قياس ستة مكافئ في حلبة مقاوم ل الشكل 2B، المستمد من المقطع العرضي التخطيطي (الشكل 2) وعرض أعلى (الشكل 2D). إظهار القياسات شرائح فارغة (الشكل 2E) الشكل نموذجية لمقاومة الأطياف دون الخلايا، كما هو موضح في الشكل 2 ألف. القياسات من خلال الجدار الخلوي (الخطوط المتقطعة في الشكل 2 واو) يشابه الأطياف مقاومة نموذجية مع الخلايا في الشكل 2A. علما بأن حجم مقاومة والمرحلة التحول زيادة نحو 1 ميغاهرتز. هذا هو استجابة نموذجية من إعداد القياس على ترددات عالية وليس من أصل التجريبية.
لتحديد طير استخدام هذه الأطياف معاوقة التجريبية، أولاً المقاومة المقاسة رقاقة مصممة، وهو المقاومة الإجمالية لطبقة الخلايا والقنوات والغشاء. وتحقيقا لهذه الغاية، تواتر قراءات مناسبة في المنطقة لمصلحة اختير، والحد الأقصى المحلية في مرحلة المؤامرة مع الخلايا وقريبة من 0 ° مرحلة التحول دون الخلايا: 10 كيلوهرتز. مع مقاومات قياس ستة في 10 كيلوهرتز، كما يقاس بين الأقطاب الأربعة، طير مباشرة يحسب باستخدام المعادلة في الشكل 2 واو.
لإظهار أن الجهاز قدم مناسبة لتحديد طير في الأجهزة على الرقائق، تم نسخ BBB داخل الرقاقة ورصد لها طير خلال 3 أيام للثقافة. في الشكل 3 ألف طير ± متوسط الخطأ المعياري للوسط (SEM) ويرد لأربعة ببس على الرقائق، أسفر عن هضبة 22 ± 1.3 Ω سم2، الذي يماثل طير هذا الخط الخليوي كما ذكرت في الأدبيات. 29 وعلاوة على ذلك، بعد إنهاء التجربة وتلطيخ الأسفار من الأنوية، يتبين أن البطانة الدماغ تتشكل من أحادي الطبقة مستمرة داخل الجهاز (الشكل 3B). الفلورة تلطيخ من مفرق ضيق البروتين أوككلودينس زونولا-1 (زوي-1) أظهرت أن خلايا غشائي الدماغ الحفاظ على النمط الظاهري الخاصة بي بي بي وشكلت مجمعات هالة ضيقة.
الشكل 1: تصميم والجمعية للجهاز الجهاز على رقاقة مع أقطاب متكاملة.
(أ) عرض من رقاقة موائع جزيئية، تتألف من جزء PDMS العلوي مع قناة الأعلى (TC) وغشاء (م) ومن أسفل جزء PDMS مع قناة السفلي (قبل الميلاد). إدراج أربعة أقطاب سلك البلاتين (هاء-1-4) والثابتة في قنوات جانبية. في القناة العليا وعلى رأسها الغشاء، كان مثقف خلايا المخ هكميك/D3 بطانية لتكرار BBB. (ب) تجميع الرقائق، ثابتة لطبق بلاستيك. طبع وتكييفها مع إذن من السفير. 16 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 2: بيانات مقاومة الممثل وتصميم طير.
(أ) مقاومة التخطيطي الطيف تظهر مقاومة حجم (Ω) ومرحلة التحول (°) مقابل التردد (هرتز)، نموذجية للتحليل الطيفي المعاوقة الكهربائية على رقائق دون خلايا (خط متصل) ومع الخلايا (خط متقطع). هناك أربع مناطق رئيسية، وبعضها يهيمن عليها: السعة طبقة مزدوجة في الأقطاب ومقاومة الثقافة المتوسطة، ومقاومة الجدار خلية والسعة غشاء الخلية. "منطقة اهتمام" يشير إلى حيث يمكن أن يكون مساهمة طبقة الخلايا المحددة كمياً (السهم الأحمر). (ب) ما يعادل دارة مقاوم رقاقة، تبين المقاومات R أعلى القناة1 وص3، أسفل القناة المقاومات ص2 وار4 وغشاء و EC الجدار المقاوم صم. (ج) عرض خلايا بطانية (EC) المزروع في القناة أعلى المقطع العرضي التخطيطي. (د) عرض أعلى التخطيطي من BBB رقاقة عرض تكوين أقطاب كهربائية ومجال الثقافة من 0.25 مم2 من خلالها يتم قياس المقاومة. (ﻫ) أطياف مقاومة الممثل لشريحة فارغة مليئة بخلية الثقافة المتوسطة. (و) مقاومة الممثل الأطياف من شريحة في أي هكميك/D3 الدماغ خلايا بطانية كانت الثقافة لمدة 3 أيام. (ز) صيغة لحساب طير من المقاومة المقاسة بين جميع مجموعات ستة من أربعة أقطاب. طبع وتكييفها مع إذن من السفير. 16 الرجاء انقر هنا للاطلاع قيود التصدير الطوعية الكبيرةأيون لهذا الرقم.
الشكل 3: تطوير طير الممثل BBB على رقاقة.
(أ) "متوسط طير" ± الخطأ المعياري للوسط (SEM) أربع ببس-على-رقائق خلال فترة ثلاثة أيام، ثقافة التوصل إلى هضبة في 22 ± 1.3 Ω سم2 (المتوسط ± SEM). للمقارنة، يتم تضمين، عرض تباين الهامشية والانحراف عن 0 Ω سم2 في نفس الفترة مقارنة بالاختلاف وقيمة طير من رقائق مع خلايا بيانات رقائق فارغة. (ب) كشف مجهرية Fluorescence نويات الملون من أحادي الطبقة مستمرة من البطانة، سواء في PDMS والغشاء في الموقع المشار إليه في اقحم. (ج) الفلورة كشفت عن وجود البروتين مفرق ضيق زونولا أوككلودينس-1، مما يشير إلى أن الوصلات الخاصة بي بي بي ضيق بين الخلايا يؤدي إلى طير المقاسة. طبع وتكييفها مع إذن من السفير. 16 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Discussion
وعرضت في هذه المخطوطة، هندسة جهاز الجهاز على رقاقة وعزم المقاومة الكهربائية ترانسيندوثيليال (طير) حاجز خلوية المزروع في الجهاز مباشرة. طريقة عرض دمج أقطاب دون تنظيم المعدات وتصميم طير مباشرة باستخدام أربعة أقطاب تنطبق على أي جهاز الجهاز على رقاقة مع اثنين من المقصورات موائع جزيئية. تخطيط شريحة والهندسة يمكن تكييفها لتناسب متطلبات التجارب المتوخاة، طالما يتم فصل أربعة أقطاب كهربائية في مقصورات اثنين. أربعة أقطاب كهربائية يمكن حتى مريح إدراجها في مداخل رقائق القائمة، شريطة أن تركز اهتمامها في مكان لمدة ستة القياسات. يمكن أن يكون الأمثل طريقة الربط خالية من التسرب للأغشية المختلفة وهندستها القناة بتغيير نسبة PDMS/التولوين. محتوى تولوين أعلى النتائج في طبقة أرق المغلفة بزيادة ونقصان من الهاون26 وقد يكون أكثر ملاءمة لقنوات أضيق نطاقا وأقل عمقاً في أجزاء PDMS. أقل نتائج محتوى تولوين في قذيفة هاون سمكا طبقة26 وقد يكون أكثر ملاءمة لإحاطة الأغشية سمكا بين أجزاء PDMS.
كما يمكن أن يرى في الأطياف معاوقة التخطيطي في الشكل 2 ألف والأطياف تجريبي في الشكل 2E و 2 واو، تتأثر القياسات معاوقة السعة طبقة مزدوجة في واجهة القطب والمتوسطة. نظراً لصغر حجم الأقطاب داخل ميكروتشانيلس، يمكن أن تسيطر على السعة طبقة مزدوجة على الهضبة مقاوم للجدار الخلوي في أطياف مقاومة، تعقيد التقدير الكمي لطير. للتغلب على ذلك، يمكن إدراج الأقطاب مزيد من قنوات الثقافة قبل التثبيت. سيؤدي هذا إلى زيادة المساحة السطحية لمسرى يتعرض إلى متوسط الثقافة، ومع ذلك سيتم زيادة السعة طبقة مزدوجة كذلك. ينتج عن هذا تحول المنحدر بالسعة لترددات أقل، حتى تكون الهضبة مقاوم للجدار الخلوي كمياً ومعترف بها بسهولة أكثر. على الرغم من أن مقاومة طريق قياس بين قطبين سيصبح أصغر، هذا لن تؤثر على التقدير الكمي طير اتباع أسلوب عرضها.
أثناء قياس عن طريق الجدار الخلوي، فمن الممكن أن الهضبة مقاوم إضافية لا يمكن الاعتراف بها. وهذا يمكن أن يكون نتيجة لاتصال فلويديك بين اثنين من القنوات، على سبيل المثال إذا كان الغشاء هو ضعيف محاطة بقذائف الهاون، مما يؤدي إلى مسار قياس حول الجدار الخلوي. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن سد الكهربائية خارج الرقاقة إذا أقطاب كهربائية متصلة بواسطة معالجة تجميعية للثقافة المتوسطة. هذا هو عموما جنبا إلى جنب مع مقاومة المقاسة أقل ويمكن حلها عن طريق إزالة هذا الجسر من الثقافة المتوسطة. وأخيراً، إذا كان هناك لا هضبة مقاوم ومقاومة المقاسة أوامر من حجم أكبر من المتوقع، قد يكون هناك ارتباط وثيق في الأسلاك الكهربائية أو في مصدر الطاقة.
في المستقبل، يمكن زيادة أهمية فسيولوجية BBB الحالية على الرقاقة بتعريض خلايا بطانية للإجهاد على المستويات الفسيولوجية، التي يقال أن تعزيز BBB التمايز وزيادة حاجز ضيق ومن الصعب تحقيق إمالة في النماذج التقليدية في المختبر . 29 بالإضافة إلى ذلك، توفر القناة السفلي لجهاز عرض حجرة مناسبة للخلايا المستمدة من الدماغ ليكون مثقف يشترك مع البطانة. هذا ومن المتوقع أيضا زيادة وظيفة الحاجز ويتيح أيضا دراسة التفاعلات المعقدة بين أنواع الخلايا ذات الصلة في ظل الظروف المرضية. 29
وفي الختام، يمكن أن تكون ملفقة باستخدام معدات المختبرات القياسية الجهاز الجهاز على رقاقة الموصوفة في هذا المنشور ويرد لتوفير قياسات طير مباشرة باستخدام أربعة أقطاب المتكاملة التي لا تعوق التفتيش البصري لدرس الخلية طبقة. وتجلى انطباق هذا الجهاز في مجال الرقائق في أجهزة محاكاة BBB في هذه الشريحة والرصد طير أثناء فترة الثقافة. يمكن أن تحاكي مجموعة من الأجهزة الأخرى (الحاجز) بها بما في ذلك أنواع الخلايا ذات الصلة الأخرى في هذه الشريحة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن بسهولة تطبيق طريقة لقياس طير في الأخرى المستندة إلى حجرة الجهاز على رقاقة جهازين للتوصل إلى قيم طير استنساخه والهادفة التي يمكن مقارنتها عبر الأجهزة وأنظمة.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
نعترف بامتنان يوهان Bomer لتصنيع العفن وارمسكور ماتيس لمناقشات مثمرة والمساعدة مع تمثيل البيانات.
ومولت هذه البحوث: المؤسسة الطبية ميكروديفيسيس للي سيجيرينك، ميرا معهد للهندسة الطبية والتقنية الطب، جامعة توينتي؛ المؤسسة الأجهزة-على-رقائق ميلادي فإن دير مير، ميرا معهد للهندسة الطبية والتقنية الطب، جامعة توينتي؛ وفيسيل، "منسق الإغاثة الطارئة المتقدمة منحة" أ فإن دن بيرغ (المنحة رقم 669768).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Materials | |||
| Polydimethylsiloxane (PDMS) base agent and curing agent: Sylgard 184 Silicone elastomer kit | Dow Corning | 1673921 | |
| Scotch Magic tape | 3M | ||
| Biopsy punch, 1.0 mm diameter | Integra Miltex | 33-31AA-P/25 | |
| Polycarbonate membrane, 0.4 µm pore size | Corning | 3401 | Cut from Transwell culture inserts |
| Toluene | Sigma-Aldrich | 244511 | |
| Platinum wire, 200 µm diameter | Alfa Aesar | 10287 | |
| UV-curable adhesive: Norland Optical Adhesive 81 | Norland Products | NOA 81 | |
| Epoxy adhesive: Loctite M-31 CL Hysol | Henkel | 30673 | |
| hCMEC/D3 cells | Human cerebral microvascular endothelial cell line, kindly provided by Dr. P.-O. Couraud, INSERM, Paris, France | ||
| Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma | P4417 | |
| Human plasma fibronectin, 20 µg/ml | Gibco | 33016015 | |
| Endothelial growth medium-2 (EGM-2) | Lonza | CC-3162 | Endothelial basal medium-2 (EBM-2) supplemented with EGM-2 SingleQuots |
| Trypsin-EDTA, 0.05% | Gibco | 15400-054 | |
| Fetal bovine serum (FBS) | Gibco | 26140-079 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Oven | Binder | 9010-0190 | |
| Spin coater: Spin 150 | Polos | SPIN150-NPP | |
| UV light source, 365 nm for 5 s at 350 mW/cm2 | Manufactured in-house | ||
| Centrifuge: Allegra X-12R Centrifuge | Beckman Coulter | ||
| Incubator | Binder | CB E2 150 | |
| Boxense | LocSense | Lock-in amplifier with probe cable circuit, specialized for on-chip TEER measurements |
References
- Bhatia, S. N., Ingber, D. E. Microfluidic organs-on-chips. Nat Biotechnol. 32 (8), 760-772 (2014).
- Van der Meer, A. D., Van den Berg, A. Organs-on-chips: breaking the in vitro impasse. Integr Biol. 4 (5), 461-470 (2012).
- Huh, D., et al. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 328 (5986), 1662-1668 (2010).
- Kim, H. J., Huh, D., Hamilton, G., Ingber, D. E. Human gut-on-a-chip inhabited by microbial flora that experiences intestinal peristalsis-like motions and flow. Lab Chip. 12 (12), 2165-2174 (2012).
- Kim, H. J., Ingber, D. E. Gut-on-a-Chip microenvironment induces human intestinal cells to undergo villus differentiation. Integr Biol. 5 (9), 1130-1140 (2013).
- Westein, E., et al. Atherosclerotic geometries exacerbate pathological thrombus formation poststenosis in a von Willebrand factor-dependent manner. Proc Natl Acad Sci USA. 110 (4), 1357-1362 (2013).
- Van der Helm, M. W., Van der Meer, A. D., Eijkel, J. C., Van den Berg, A., Segerink, L. I. Microfluidic organ-on-chip technology for blood-brain barrier research. Tissue barriers. 4 (1), e1142493 (2016).
- Abbott, N. J., Dolman, D. M., Yusof, S., Reichel, A. Chapter 6. Drug Delivery to the Brain Vol. 10 AAPS Advances in the Pharmaceutical Sciences Series. Hammarlund-Udenaes, M., de Lange, E., Thorne, R. G. , Springer. New York. 163-197 (2014).
- Odijk, M., et al. Measuring direct current trans-epithelial electrical resistance in organ-on-a-chip microsystems. Lab Chip. 15 (3), 745-752 (2015).
- Srinivasan, B., et al. TEER Measurement Techniques for In Vitro Barrier Model Systems. J Lab Autom. 20 (2), 107-126 (2015).
- Brown, J. A., et al. Recreating blood-brain barrier physiology and structure on chip: A novel neurovascular microfluidic bioreactor. Biomicrofluidics. 9 (5), 054124 (2015).
- Deosarkar, S. P., et al. A Novel Dynamic Neonatal Blood-Brain Barrier on a Chip. PLoS ONE. 10 (11), e0142725 (2015).
- Ferrell, N., et al. A microfluidic bioreactor with integrated transepithelial electrical resistance (TEER) measurement electrodes for evaluation of renal epithelial cells. Biotechnol bioeng. 107 (4), 707-716 (2010).
- Kilic, O., et al. Brain-on-a-chip model enables analysis of human neuronal differentiation and chemotaxis. Lab Chip. 16 (21), 4152-4162 (2016).
- Partyka, P. P., et al. Mechanical stress regulates transport in a compliant 3D model of the blood-brain barrier. Biomaterials. 115, 30-39 (2017).
- Van der Helm, M. W., et al. Direct quantification of transendothelial electrical resistance in organs-on-chips. Biosens Bioelectr. 85, 924-929 (2016).
- Booth, R., Kim, H. Characterization of a microfluidic in vitro model of the blood-brain barrier (mu BBB). Lab Chip. 12 (10), 1784-1792 (2012).
- Douville, N. J., et al. Fabrication of two-layered channel system with embedded electrodes to measure resistance across epithelial and endothelial barriers. Anal chemi. 82 (6), 2505-2511 (2010).
- Griep, L. M., et al. BBB ON CHIP: microfluidic platform to mechanically and biochemically modulate blood-brain barrier function. Biomed Microdevices. 15 (1), 145-150 (2013).
- Wang, Y. I., Abaci, H. E., Shuler, M. L. Microfluidic blood-brain barrier model provides in vivo-like barrier properties for drug permeability screening. Biotechnol Bioeng. , (2016).
- Wang, J. D., Khafagy, E. -S., Khanafer, K., Takayama, S., El Sayed, M. E. H. Organization of Endothelial Cells, Pericytes, and Astrocytes into a 3D Microfluidic in Vitro Model of the Blood–Brain Barrier. Mol Pharm. 13 (3), 895-906 (2016).
- Walter, F. R., et al. A versatile lab-on-a-chip tool for modeling biological barriers. Sens Actuators B Chem. 222, 1209-1219 (2016).
- Abbott, N. J., Patabendige, A. A., Dolman, D. E., Yusof, S. R., Begley, D. J. Structure and function of the blood-brain barrier. Neurobiol Dis. 37 (1), 13-25 (2010).
- Cardoso, F. L., Brites, D., Brito, M. A. Looking at the blood-brain barrier: molecular anatomy and possible investigation approaches. Brain Res Rev. 64 (2), 328-363 (2010).
- Weksler, B., et al. Blood-brain barrier-specific properties of a human adult brain endothelial cell line. FASEB J. 19 (13), 1872-1874 (2005).
- Chueh, B. -H., et al. Leakage-free bonding of porous membranes into layered microfluidic array systems. Anal chem. 79 (9), 3504-3508 (2007).
- Golowasch, J., Nadim, F. Encyclopedia of Computational Neuroscience. Jaeger, D., Jung, R. , Springer. New York. 555-558 (2015).
- Benson, K., Cramer, S., Galla, H. -J. Impedance-based cell monitoring: barrier properties and beyond. Fluids Barriers CNS. 10 (5), (2013).
- Weksler, B., Romero, I. A., Couraud, P. -O. The hCMEC/D3 cell line as a model of the human blood brain barrier. Fluids Barriers CNS. 10 (1), 16 (2013).
