Summary
Bu yayın entegre elektrotlar transendothelial elektrik direniş (AYLARININ) doğrudan miktar için bir organ-on-chip cihazı imalatı açıklar. Doğrulama, kan - beyin bariyerini bu mikrosıvısal cihazın içinde taklit ve bariyer fonksiyonu izlenir. Elektrot entegrasyon ve doğrudan AYLARININ miktar için sunulan yöntemleri genel olarak geçerlidir.
Abstract
Organlar üzerinde fiş, vitro modelleri, içinde mikrosıvısal aygıtları (insan) doku kültürü ile ilgili çoğu hızla gelişmekte olan yararlı sağlamak için söz araştırma ve insan sağlığı ve hastalığı çalışmak için araçlar. Organ-on-chip cihazlar içinde kültürlü hücre katmanları bariyer fonksiyonu ayırdetmek için genellikle transendothelial ya da transepithelial elektrik direnci (AYLARININ) ölçülür. Bu amaçla, elektrotlar genellikle yonga elektrotlar alıcılar çipin içine el ile ekleme ile elde daha daha istikrarlı ölçümler sağlamak için mikro işleme yöntemleri tarafından entegre edilmiştir. Ancak, bu elektrotlar sık okudu hücre tabakasının görsel denetim engel veya imalat için pahalı temiz oda işlemlerinin izlenmesini gerektirir. Bu sınırlamalarını aşmak için burada açıklanan cihaz yer alan ve görsel denetim sağlayarak kültür alanı dışında sabit dört kolayca entegre elektrotlar içerir. Altı ölçüm yolları dayanıklılığını sayılabilir, bu dört elektrotlar hangi AYLARININ doğrudan, bağımsız kültür orta dolu mikro direnç olarak izole kullanarak. Kan - beyin bariyerini bu cihazda çoğaltılan ve onun AYLARININ aygıt uygulanabilirliği göstermek için izlenir. Bu çip, entegre elektrotlar ve AYLARININ belirleme yöntemini genellikle organları-Tarih-fiş diğer organlara taklit veya mevcut organ-on-chip sistemleri içine dahil olmak için geçerlidir.
Introduction
Organları fiş hızla yeni bir ortaya çıkan ve sınıf in vitro doku modelleri umut verici. 1 bu modelleri, bu hücrelerin fizyolojik microenvironment taklit ediyorlar şekilde tasarlanmıştır mikrosıvısal cihazlar içinde hücreler kültürlü. 1 , 2 bu basit tasarım ve temel fonksiyonu geleneksel vitro modellerden beklenenden daha gerçekçi fizyolojik veya patolojik davranış bu hücrelerin içinde sonuçlanır. 3 , 5 , 6 Ayrıca, organları fiş içinde vivo modellere kıyasla bir daha iyi kontrol edilebilir ortamı sağlamak ve insan kaynaklı sadakatle insan fizyolojisi ve patoloji çoğaltmak için sağlıklı ve hastalıklı doku dahil edebilirsiniz. Kan - beyin engelleri gelişimi son zamanlarda özetlenen gelişmeler yongaları (BBBs-Tarih-çipleri) üzerinde alan ileri hızlı hareketli olduğunu göster. 7
Onlar gerçek zamanlı ve sürekli mikroskobu, on-line biyokimyasal analizler ve entegre sensörler tarafından cihazın içinde kültürlü dokusu izlemeyi etkinleştir organları fiş başka bir avantaj sağlıyor. 1 , 2 Örneğin, transendothelial veya transepithelial elektriksel direnç (AYLARININ) ölçme non-invaziv geliştirme izlemek için güçlü bir yöntem olduğunu ve bozulma bariyer oluşturan dokular. 8 , 9 , 10 AYLARININ elektriksel direnç hücresel bir engeldir ve bu nedenle bariyer bütünlüğünü ve geçirgen göstergesidir. 10 organları-Tarih-fiş, hücresel engelleri genel olarak iki akışkan kanalları, apikal temsil eden ve bu bariyer doku demiri bölmeleri ayıran bir membran üzerinde kültürlü. Böyle cips AYLARININ ölçümleri uygun giriş ve çıkışları iki kanalının takılı elektrotları ile yapılabilir. 3 , 4 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 ancak, el ile ekleme ve elektrot reinsertion kolayca yerleştirme hataları ve böylece örneğin olarak ölçülen direnç değişimler mikro ile daha uzun veya daha kısa yolları dayanıklılığını farklılıkları neden olabilir önemli hücre bariyer direnç karşılaştırılır. 16 cihazlar entegre elektrotlar ile reinsertion hataları ortadan kaldırmak için önerilmiştir. Ancak, bu tümleşik elektrotlar çoğunu doku kültürü17,18,19,20,21 teftiş zaman görmenize ve/veya gerektiren özel temiz oda imalat için işler. 17 , 22
Bu yayındaki bir önceki yayında,16 uygulanan ilk organ-on-chip cihaz görünürlüğü ölçülen hücre katmanı ve kolay üretim on tümleşik elektrotlar kararlılığını birleştirir. Tasarım ve üretim bu çip şekil 1' de tasvir. Kısacası, bu cihaz iki polydimethylsiloxane (PDMS) bölümden oluşur birlikte bağlı kanal diziniz ile kaçak içermeyen bir polikarbonat membran ile 0,4 ile µm arasında gözenekleri. Dört Platin tel elektrotlar takılı ve yerine bir photocurable ile sabit kültür alanı dışında iyi yapıştırıcı. Tüm bu üretim adımları genel Laboratuar donanımları, ezelî belgili tanımlık lüzum için a temiz oda çevre ile yapılabilir. Bunun üzerine, altı empedans ölçümleri yapılabilir böylece ölçülen AYLARININ doğrudan izolasyon kesit için çıkılan ve böylece etkisi en aza indirilmesi mikro direnç bağımsız izin bu dört elektrotlar kullanarak biyolojik olmayan çeşitleri sistemindeki (yeniden) ekleme hataları gibi. 16
Bu aygıt ve doğrudan AYLARININ ölçümleri uygulanabilirliği göstermek için kan - beyin bariyerini (BBB) bu yongası çoğaltılan. Bu biyolojik bariyer özel endotel hücreleri oluşur ve kan ve beyin beyin homeostazı sağlayacak arasında ulaşım düzenler. 23 , 24 BBB taklit etmek için mikrosıvısal cihazın üst kanal (lütfen Dr. s.-O. tarafından sağlanan hCMEC/D3 hücre kültürünü insan beyin mikrovasküler endotel hücreleri ile kaplı Couraud, INSERM, Paris, Fransa). 25 sunulan yöntem, ancak, daha genel olarak herhangi bir organ-on-chip cihaz iki bölmeleri ile uygulanabilir, doğrudan AYLARININ belirlenmesi kolayca kullanma etkinleştirme elektrotlar entegre.
Bu makale, ilk organ-on-chip cihazın entegre elektrotlar ile imalat işlemi açıklanmıştır. İleri, tohumlama yordam ve cihazın içinde beyin endotel hücrelerinin kültürü olduğunu açıkladı, üstünde-küçük parça AYLARININ ölçümleri yanı sıra. Sonuçlar bölümünde temsilcisi AYLARININ ölçümleri gösterilir ve veri işleme açıklığa kavuşturuldu. Son olarak, sunulan cihaz ve AYLARININ izlenecek yöntem uygulanabilirliği gösterilen BBB-tarih-3 gün boyunca takip çipi, bariyer fonksiyonu sunulur.
Protocol
1. organ-on-chip cihaz imalatı
- Standart fotolitografi yöntemlerle fabrikasyon kanal tasarımları ile bir kalıp PDMS kopyasını yapmak ve mikrosıvısal çip PDMS parçaları elde edilir.
- Tartmak yaklaşık 27 g PDMS temel aracı ve 2.7 g kür Ajan; kitle oranı 10:1 olması gerekiyor. Bu bir 3 mm kalınlığında PDMS levha 130 mm (5 inç) çapında bir kalıp üzerinde iyi gelir. Bu bileşenler iyice karıştırın.
- Hava kabarcıkları kaldırmak için desiccator için yaklaşık 45 dakika karışımı degas.
- Bu arada, kalıp kalıp etrafında Açık teyp yapışarak sıvı PDMS karışımı için hazırlamak veya kalıp bir uygun gofret tutucuya yerleştirin.
- Degassed PDMS karışımı kalıp üzerine dökün. Herhangi bir hava kabarcıkları kaldı PDMS karışımı veya kalıp yüzeyde bu yine yaklaşık 30 dk. degas Eğer
- PDMS karışımı bir fırın 4 h soğumasını izin ver için 60 ° C'de tedavisi.
- Çapraz akışlı başlıklı tedavi PDMS kalıp üzerinden çekin; kalıp hemen daha fazla PDMS yineleme yapmak için yeniden kullanılabilir.
- Ayrı üst ve alt çip parçalar içinde PDMS kesme hatları kullanarak PDMS yineleme oyulmuş.
- En iyi parçalar 1 mm çapında formu giriş ve çıkışları için bir keskin biyopsi yumruk kullanarak dört delik yumruk. İçinde gelen yumruk için dış yongasında toplama PDMS enkaz önlemek için. Onları toz karşı korumak için açık bant ile yonga parçaları kapsayacak.
- Polikarbonat membranlar Transwell ekler üzerinden yaklaşık 3 × 3 mm kareler halinde kesin 2.
- Gözenekli bir membran sızıntı içermeyen bir iki katlı cihaz montajı için iki PDMS parçalar arasında senitehlikeye gözenekli bir membran ile montajı.
Not: Bu Griep ve ark adapte iletişim kuralıdır. 19 ve Chueh ve ark. 26- kaynaklanan bir 5:3 ağırlık oranı hazırlama PDMS temel Ajan, kür Ajan 0,07 g ve toluen, 540 µL 0.7 g kullanarak PDMS/toluen havan mermisi. Girdap harç iyice.
- Spin-kat 200 µL harç üzerine cam coverslip 60 için 1500 rpm (1000 devir/dakika/sn parlak alanlardaki renk) s ince, tek bir harç tabakası elde etmek için.
- Coverslip alt kısmı ve çip bir mürekkep silindiri ile üst kısmı üzerine ince bir tabaka halinde harç transfer. Alt kısmında bir fırın güvenli tabak koyun.
- Cımbız, bir dizi ile bir membran spin kaplı harç içine kenarlarını daldırma ve alt kısmı ortasında dikkatlice yerleştirin
- Dikkatle yer üst kısmında alt kısmı hizalamayı dikkat süre.
Not: çip üzerine baskı değil ve üst kısmında kanal ekleme ve membran tıkanma harç önlemek için alt kısmı yana kay değil. - Toz çip girmesini önlemek ve onları 3 h. için 60 ° c fırında için açık bant ile fiş giriş kapağı
- Elektrotlar yan kanal içine entegre.
Not: Bu Griep ve ark adapte iletişim kuralıdır. 19 ve Douville ve ark. 18- onları 30 dk. durulama su ve etanol ile aseton içinde batış parçalara, yaklaşık 2 cm. temiz Platin tel kesme ve kurumasını bekleyin.
- Bir çapraz akışlı başlık, bir plastik tabak üzerinde bir çip koymak. Dört Platin tel bir çift cımbız kullanarak bir çip elektrot kanallarına eklemek ve onları aşağı fiksasyon bir sonraki adımda çanak etkinleştirmek için plastik tabak üzerine viraj. Kanal T şeklinde kavşak geçmiş mm kültür kanalı içine 0.7-1 teller takın.
- Elektrot kanal girişinde UV tedavi edilebilir tutkal bir damla uygulayın ve kanal elektrot çevresinde kapiller Kuvvetleri tarafından doldurmak tutkal izin.
- Geçiş UV ve cure yapıştırıcı elektrot kanal sonuna ulaştığında.
Uyarı: Bu gözlerini zarar verebilir gibi UV ışık kaynağı bakmıyorum. - İki bileşenli epoksi yapıştırıcı ile plastik tabak için dört entegre elektrotlar bağlayacaktın. Bu elektrotlar daha kolay işlenmesi sırasında ölçümleri çip üzerinden elektrotlar çekerek riski olmadan sağlar.
- Açık teyp çiplerle kapak ve onları 2 h. soğumasını ve tozsuz kullanmak kadar saklamak için izin ver için 60 ° C'de pişirin. Bu şekilde onlar olabilir güvenli bir şekilde en fazla bir ay için saklı.
2. Çip üzerinde endotel hücrelerinin beyin kaynaklı kültür
- kat hücre eki tanıtmak için fiş.
- Dolgu her iki kanal fosfat ile serum fizyolojik (PBS) ıslak onları reaktifler tanıtımı önce arabelleğe alınmış. Varsa bir mikroskop altında herhangi bir hava kabarcıkları kanallarında kontrol edin. Eğer öyleyse, bunları kaldırmak ilave PBS ile temizlenerek.
- Her iki kanal 20 µg/mL insan fibronektin PBS içinde 30 µL ile doldurun. 37 ° C'de 3 saat kuluçkaya. Hava kabarcıkları için kontrol edin ve gerekirse, PBS ile kanalları ve dolum fibronektin çözüm ile flush.
- Endotelyal büyüme orta çiplerle boşaltır ve onlara 37 ° C ve % 5 CO 2 2 h. için bir kuluçka kuluçkaya
- Boş cips AYLARININ tüm elektrotlar sıvı kanalı ile doğrudan temas içinde olduğundan emin olmak için adım 3'te açıklandığı gibi ölçmek. Boş fiş tipik AYLARININ değerler 0-1 Ω cm 2.
- En iyi kanal içine tohum hücreleri.
- Bir kültür şişesi (75 cm 2 kültür alanı) kültür ortamından insan beyin mikrovasküler endotel hücreleri (hCMEC/D3) bir Konfluent monolayer ile kaldırmak.
- Hücreleri PBS ile yıkayın. 2 mL % 0.05 tripsin-EDTA ekleyin ve 2-5 dakika kadar hücreleri kültür balonun ayırdıktan için 37 ° C ve % 5 CO 2 kuluçkaya.
- Kültür % 20 fetal sığır serum ile (FBS) takıma orta ile tripsin devre dışı bırakın. Hücreleri saymak ve süspansiyon hücrelerde toplam sayısını hesaplamak.
- Bu arada, 390 x g 5 min için de hCMEC/D3 hücreleri santrifüj kapasitesi ve süpernatant kaldırın.
- Hücre Pelet endotelyal büyüme orta (EGM-2) 5 x 10 6 hücre/mL konsantrasyonu gelmesi uygun hacmine resuspend. 2 x 10 5 hücreleri/cm 2 çip'tohum yoğunluğu bu sonuç.
- Yavaş yavaş iyi karma hücre süspansiyon 30 µL en iyi kanal içine pipet ve hala baskı uygulamakla giriş bir akıcı hareketle pipet kaldırın.
- Mikroskop altında sağlanan yoğunluğu kontrol edin. En iyi kanal boyunca hücre tekdüze dağılım elde edilmelidir.
- Ekli olmayan hücreler endotel kültür orta ile dışarı floş için en az 1 h. 37 ° C ve % 5 CO 2 fiş Incubate.
- Üstünde-küçük parça endotel kültür korumak.
- İki kez günlük, alıcılar rezervuar olarak kültür orta dolu pipet ipuçları Ekle ve orta çip içinde yerçekimi tahrik akış tarafından yerine.
Not: mikro girme ve hücre katmanı yok hava kabarcıklarını önlemek için bir giriş belgili tanımlık uç eklemeden önce pipet ucu ve sıvı üstünde tepe-in belgili tanımlık küçük parça arasında sıvı-sıvı temas yapmak emin olun. Bu, küçük bir damla ekleyerek kolaylaştırılabilir içinde / çıkış pipet ekleme önce. - Da Kanallar kurumasını önlemek için çıkışları pipet ucu rezervuar eklemek.
- 37 ° C ve % 5 CO 2 fiş kuluçkaya.
- İki kez günlük, alıcılar rezervuar olarak kültür orta dolu pipet ipuçları Ekle ve orta çip içinde yerçekimi tahrik akış tarafından yerine.
3. Çip üzerinde AYLARININ ölçümleri
- th ayarlae AYLARININ ölçüm cihazları, bir kilit amplifikatör ve bir prob kablosu devre Van der dümen ve ark içinde belirtilen gibi oluşan. 16 alternatif olarak, potentiostats veya empedans analiz sistemleri de bu empedans tabanlı AYLARININ ölçümler için uygundur.
- Çip kuluçka makinesi almak ve oda sıcaklığında en az 10 dk. Kaldır herhangi bir sıvı plastik tabak elektrot elektrot dışında çip köprüleme önlemek için çevresinde üzerinden ulaşmak izin.
- Empedans spektrum 200 Hz den 1 6 empedans spectra çip sadece 5-10 dak onay başına empedans spectra beklenen büyüklükleri ve şekiller olarak AYLARININ ölçüm doğrulamak için varsa sonuçlanan MHz için iki elektrot, her birleşimi için al Sonuçlar bölümünde açıklanan.
- Çipi geri kuluçka 37 ° C ve % 5 CO 2 ölçüm bitirdikten sonra koymak.
- Bir normalleştirilmiş AYLARININ değerinde gelmesi elde edilen empedans spectra işlemek.
- Olsun ölçülen direnç
elektrot arasındaki 
ve 
, şekil 2B ve D, karşılık gelen empedans spectra 10 kHz rezistif Plato üzerinden gösterilen. - Hesaplamak için bir çip bir anda karşılık gelen altı ölçülen Dirençleri kullanarak AYLARININ gelin Şekil 2 g 16 denklemi kullanarak:
Bu denklemde
içinden direnç ölçülen, kültür alanı < img alt = " Denklem 5"src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56334/56334eq5.jpg "/ > dirençtir hücresel bariyer ve membran, 
, 
, 
ve 
direnç vardır hücresel bariyer ile ölçülen değerleri ve 
ve 
direnç değerleri ölçülür düz kanalları. 16 rakam 2C içinde resimli eşdeğer devre denklemi elde edilir.
- Olsun ölçülen direnç
- Boş AYLARININ AYLARININ bütün zaman noktalarda AYLARININ geliştirme zamanında elde etmek için üzerinden çıkarma.
elektrot arasındaki 
ve 
, şekil 2B ve D, karşılık gelen empedans spectra 10 kHz rezistif Plato üzerinden gösterilen.
içinden direnç ölçülen, kültür alanı < img alt = " Denklem 5"src="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56334/56334eq5.jpg "/ > dirençtir hücresel bariyer ve membran, 
, 
, 
ve 
direnç vardır hücresel bariyer ile ölçülen değerleri ve 
ve 
direnç değerleri ölçülür düz kanalları. 16 rakam 2C içinde resimli eşdeğer devre denklemi elde edilir.Representative Results
Elektrik empedans spektroskopisi bir çip olmadan hücreleri (düz çizgi) ve hücresel bariyer (kesik çizgi) aracılığıyla şematik sonuçları şekil 2Agösterilir. Dört ana bölgeleri tespit edilmesi, her bir belirli elektrik bileşeni tarafından hakim. Altında yaklaşık 1 kHz, çift katmanlı kapasite elektrot-kültür orta arabirimi, hakim, empedans büyüklüğü ve-90 ° yaklaşan bir faz kayması için negatif bir eğim ile karakterize. Hangi çift katmanlı kapasite hakim, frekans kültür ortamına maruz elektrot alan bağlıdır. 0 °, yakın bir faz kayması ile 1 kHz (olmadan hücreleri) veya 100 kHz (hücrelerle) yukarıda Yaylası rezistif karşılık gelen Kültür orta mikrosıvısal kanallar, kanal uzunluğu ve kesit alanı ve iç bağlı olarak iç direnci membran, porozite ve kalınlığına bağlı olarak. Bir hücresel bariyeri ölçme, 1 ile 10 kHz arasında ekstra karşı koymak bir plato yanı sıra yerel maksimum faz diyagramı görülür. Hücreleri ölçülen yolundaki varsa ve bu nedenle ilgi "bölge" olarak adlandırılır, bu AYLARININ belirlenmesi olarak empedans sonuçları net bir artış için kritik öneme sahip bölgedir. İlave yamaç 10 ve 100 kHz arasındaki elektriksel yalıtım lipid bilayer membranlar doğar ve hücre katmanı Toplam alan üzerinde bağımlı olan hücre bariyer kapasitans karşılık gelir. 27 bu bölgeler yanı sıra empedans büyüklükleri sınırlarını okudu sistemine bağlıdır ve ile diğer şeyler, kanal, kültür orta iletkenlik, elektrot konumunu ve hücre tipi arasında değiştirmek. Teori ve elektrik empedans spektroskopisi engel oluşturmayan üzerinde uygulama hakkında daha fazla okumak için doku derlemede Benson ve ark. tarafından tavsiye edilir. 28
AYLARININ ölçümlerin temsilcisi veriler için boş bir çip ve bir çip ile şekil 2E ve 2F, hCMEC/D3 beyin endotel hücre katmanda sırasıyla gösterilir. Kısacası, empedans spektroskopisi ile dört elektrotlar altı ölçümleri kullanarak gerçekleştirildi: hücre kültürü orta dolu kanallar (düz çizgi) aracılığıyla iki ölçüm ve kanallar gibi membran aracılığıyla dört ölçümleri ve - varsa - hücresel bariyer (kesikli çizgiler). Bu altı ölçüm yolları şematik kesit (şekil 2C) ve üstten görünüm (şekil 2B) türetilmiştir şekil 2B, eşdeğer direnç devrede tespit edilebilir. Boş çip ölçümleri (şekil 2E) empedans spectra ürününün tipik şekil şekil 2Agösterildiği gibi değerleri göster. Hücresel bariyer ( şekil 2Fiçinde kesik çizgiler) aracılığıyla ölçümleri ile şekil 2Ahücrelerde tipik empedans spectra benzer. Empedans büyüklüğü ve faz artış geçiş Not 1 MHz doğru. Bu ölçüm Kur yüksek frekanslarda normal yanıttır ve deneysel kökeni değil.
Bu deneysel empedans spectra kullanarak AYLARININ belirlemek için ilk ölçülen çip direnç, hücre katmanı, kanalları ve membran toplam direnç olduğu belirlenir. Bu amaçla, uygun okuma frekans faiz bölgesinde, yerel maksimum faz arsa hücreleri ve 0 ° faz kayması hücreleri olmadan yakın olan seçildi: 10 kHz. 10 kHz altı ölçülen Dirençleri ile dört elektrotlar arasında ölçülen AYLARININ doğrudan denklemi şekil 2Fiçinde kullanılarak hesaplanır.
Onun AYLARININ kültür 3 gün boyunca izlenen ve sunulan cihazın AYLARININ organları-Tarih-fiş belirlemek için uygun olduğunu göstermek için BBB çip içinde çoğaltılan. Ortalama AYLARININ ± standart hata değerlerin ortalamasının (SEM) 22 ± 1.3 Ω cm2, bir plato kaynaklanan dört BBBs-Tarih-fiş için gösterilen şekil 3A ' da literatürde bildirilen gibi bu hücre kültürünü AYLARININ karşılaştırılabilir. 29 Ayrıca, deney sona ermesi ve floresan çekirdekleri boyama sonra o beyin endotel aygıt (şekil 3B) içinde sürekli bir monolayer oluşan görülebilir. Ayirt sıkı kavşak protein Zonula Occludens-1 (ZO-1) Boyama beyin endotel hücreleri onların BBB özgü fenotip muhafaza ve sıkı bileske kompleksleri kurdu gösterdi.
Resim 1: Tasarım ve montaj organ-on-chip cihazın entegre elektrotlar ile.
Bir üst PDMS bölümünde en iyi kanal (TC), bir membran (M) ve bir alt PDMS bölümü alt kanal (M.Ö.) ile oluşan mikrosıvısal çip (A) şemayı göster. Dört Platin tel elektrot (E1-4) eklenen ve yan kanallarında sabit. En iyi kanal ve membran üstüne, hCMEC/D3 beyin endotel hücreleri BBB çoğaltmak için kültürlü. (B) çip, plastik bir yemek için sabit monte. Yazdırılan ve adapte ile izninden Elsevier. 16 Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2: Temsilcisi empedans veri ve AYLARININ belirlenmesi.
(A) şematik empedans spektrum gösteren empedans büyüklüğü (Ω) ve faz kayması (°) frekans (Hz), elektrik empedans spektroskopisi cips hücreleri (düz çizgi) olmadan ve hücreleri (kesik çizgi) üzerinde için tipik karşı. Dört ana bölgeleri vardır, her hakim: çift katman kapasitans elektrotlar, kültür orta direniş, hücre bariyer direnç ve hücre zarının kapasite. "Bölge" ilgi hücre katmanı katkısını quantified (kırmızı ok) nerede olabilir gösterir. (B) en iyi kanal dirençler R1 ve R3, alt kanal dirençler R2 ve R4 ve membran ve EC bariyer direnç Rmgösterilen çipin eşdeğer direnç devre. (C) şematik üst kanala kültürlü endotel hücreleri (EC) gösterilen kesit. (D) en iyi şematik BBB chip elektrotlar yapılandırmasını ve hangi aracılığıyla empedans ölçülür 0,25 mm2 kültür alanında gösterilen. (E) temsilcisi empedans spectra boş bir çipin hücre kültür orta ile dolu. (F) temsilcisi empedans spectra bir çipin hangi hCMEC/D3 içinde beyin endotel hücreleri 3 gün boyunca kültür vardı. (G) dört elektrot tüm altı kombinasyonlar arasında ölçülen Dirençleri üzerinden AYLARININ hesaplamak için formül. Yazdırılan ve adapte ile izninden Elsevier. 16 büyük vers görmek için buraya tıklayın lütfenBu rakam iyon.
Şekil 3: Temsilcisi AYLARININ BBB-on-chip geliştirilmesi.
(A) AYLARININ ortalama ± standart hatasını dört BBBs-üstünde-bir plato 22 ± 1.3 Ω cm2 (ortalama ± SEM) ulaşan cips kültür süresi üç gün boyunca ortalaması (SEM). Karşılaştırma için veri boş fiş, değişim ve fiş değerini AYLARININ hücreleri ile karşılaştırıldığında aynı döneminde marjinal değişim ve 0 Ω cm2 sapma gösteren kullanılır. (B) Floresans mikroskobu, lekeli çekirdeği endotel, PDMS ve membran ilave belirtilen konumda hem sürekli bir monolayer ortaya koydu. (C) ayirt sıkı kavşak protein Zonula Occludens-1, BBB özgü sıkı kavşak hücreler arasında ölçülen AYLARININ çıkmasına gösteren varlığı saptandı. Yazdırılan ve adapte ile izninden Elsevier. 16 Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Discussion
Bu makale, bir organ-on-chip aygıt mühendislik ve cihazda kültürlü bir hücresel bariyer transendothelial elektriksel direnç (AYLARININ) doğrudan belirlenmesi sunuldu. Elektrotlar temiz oda ekipmanları ve dört elektrot kullanarak doğrudan AYLARININ belirlenmesi olmadan entegre sunulan yöntemi iki mikrosıvısal bölmeleri ile herhangi bir organ-on-chip aygıt için geçerlidir. Dört elektrotlar iki bölmeleri ayrılır sürece geometri ve çip düzeni öngörülen deneyler gereksinimlerine uyacak şekilde adapte edilebilir. Altı ölçümleri süresince yerinde fiksasyonlu koşuluyla dört elektrotlar bile varolan fişleri, alıcılar içinde uygun eklenebilir. Kaçak-Alerjik yapıştırma yöntemi farklı membranlar ve kanal geometrileri için PDMS/toluen oranını değiştirerek getirilebilir. Daha yüksek bir toluen içerik bir ince spin kaplı katmanda harç26 sonuç ve sığ ve dar Kanallar PDMS yerlerinde için daha uygun olabilir. Bir alt toluen içerik sonuçlarında daha kalın bir havan topu26 katman ve PDMS bölümleri arasında kalın membranların aldığınızdan daha uygun olabilir.
Şekil 2A şematik empedans spectra ve şekil 2E ve 2Fdeneysel spectra görüldüğü gibi empedans ölçümleri çift katmanlı kapasite elektrot-orta arayüz tarafından etkilenmektedir. Elektrotlar mikro içinde küçük boyutu nedeniyle, çift katmanlı kapasite empedans spectra, AYLARININ miktar zorlaştıran hücresel bariyer rezistif Yaylası üzerinden hâkim olunamaz. Bu sorunu gidermek için elektrotlar takılı fiksasyon önce kültür kanalları içine daha fazla. Bu maruz elektrot yüzey alanını artırır kültür ortamına ve bununla çift katmanlı kapasite de artacak. Böylece hücresel bariyer rezistif Yaylası daha kolay tanınan ve quantified olabilir bu düşük frekanslar için kapasitif yamaç bir kayma olur. Her ne kadar iki elektrot arasında ölçülen yol direnci daha küçük olacak, bu tabi sunulan yöntem AYLARININ miktar etkiler değil.
Hücresel bariyeri ölçme sırasında ekstra rezistif Yaylası tanınamıyor mümkündür. Bu membran kötü harç tarafından ölçülen bir yol etrafında hücresel bariyer yol alınmış Örneğin iki kanal arasında sıvı bir bağlantı sonucu olabilir. Buna ek olarak, olabilir dışında çip elektrotlar kültür orta bir damlacık tarafından bağlıysanız, elektrik köprü oluşturma. Bu genellikle daha düşük ölçülen empedansı ile kombine ve bu köprü kültür ortamının kaldırarak çözülebilir. Son olarak, orada hiçbir direnç Yaylası ve ölçülen empedans büyüklük beklenenden daha yüksek ise, gevşek bir bağlantı elektrik tesisatı veya güç kaynağı olabilir.
Gelecekte, geçerli BBB-on-chip fizyolojik alaka BBB farklılaşma ve artış bariyer gerginlik tanıtmak için bildirdi ve elde etmek zor stres fizyolojik düzeylerde yamultmak için endotel hücreleri açarak artırılabilir geleneksel vitro modellerinde. 29 Ayrıca, beyin kaynaklı hücreler endotel ile birlikte kültürlü için uygun bir bölme sunulan cihazın alt kanal sağlar. Bu da bariyer fonksiyonu artması beklenmektedir ve ayrıca patolojik şartlar altında ilgili hücre tipleri arasındaki karmaşık etkileşimler çalışma sağlar. 29
Sonuç olarak, bu yayında açıklanan organ-on-chip cihaz standart laboratuvar donanımları kullanarak sahte olduğu ve görsel denetim okudu hücrenin engel değil dört entegre elektrotları kullanarak doğrudan AYLARININ ölçüleri sağlamak için gösterilen katman. Bu aygıt organları fiş alanındaki uygulanabilirliği bu çip BBB taklit ve kültür döneminde AYLARININ izleme gösterilmiştir. Diğer (bariyer) organlara bir dizi bu çipe diğer ilgili hücre tipleri dahil olmak üzere taklit. Buna ek olarak, cihaz ve sistemler arasında karşılaştırılabilir tekrarlanabilir ve anlamlı AYLARININ değerleri ulaşmak için diğer iki bölme tabanlı organ-on-chip cihazlarda AYLARININ ölçme yöntemi kolayca uygulanabilir.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Minnetle Mathijs Bronkhorst ve kalıp imalatı verimli tartışmalar ve veri gösterimi ile yardım için Johan Bomer kabul.
Bu araştırma tarafından finanse edildi: SRO Biyomedikal Microdevices, L.I. Segerink, MIRA Enstitüsü Biyomedikal mühendislik ve teknik tıp, Twente Üniversitesi; SRO organları-Tarih-cips Milattan sonra van der Meer, MIRA Enstitüsü Biyomedikal mühendislik ve teknik tıp, Twente Üniversitesi; ve VESCEL, ERC gelişmiş hibe A. van den Berg (grant no. 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).
