Apresentamos um dispositivo microfluídico centrífuga movido a motor que pode cultivar esferóides celulares. Usando este dispositivo, esferóides de tipos de células únicas ou múltiplas podem ser facilmente coculturados condições de alta gravidade.
Uma cultura tridimensional de células esferóides pode obter resultados mais úteis em experimentos celulares porque pode simular melhor microambientes celulares do corpo vivo do que a cultura celular bidimensional. Neste estudo, fabricamos uma plataforma elétrica de laboratório em um CD (disco compacto), chamada de sistema de cultura esferóide de base microfluídica (CMS), para criar esferóides de células tridimensionais (3D) implementando força centrífuga alta. Este dispositivo pode variar velocidades de rotação para gerar condições de gravidade de 1 x g a 521 x g. O sistema CMS tem 6 cm de diâmetro, tem cem 400 microwells μm, e é feito moldando com polidimetilsiloxano em um molde de policarbonato pré-feito por uma máquina de controle numérica de computador. Uma parede de barreira na entrada do canal do sistema CMS usa força centrífuga para espalhar as células uniformemente dentro do chip. No final do canal, há uma região de deslizamento que permite que as células entrem nos micropoços. Como demonstração, os esferóides foram gerados pela monocultura e pela cocultura de células-tronco derivadas do adiposo humano e dos fibroblastos pulmonares humanos em condições de alta gravidade usando o sistema. O sistema CMS usou um esquema de operação simples para produzir esferóides de cocultura de várias estruturas de concêntricos, Janus e sanduíche. O sistema CMS será útil em biologia celular e estudos de engenharia de tecidos que exigem esferóides e cultura organóide de tipos de células únicas ou múltiplas.
É mais fácil simular microambientes in vivo biológicos com cultura celular esferóide tridimensional (3D) do que com cultura celular bidimensional (2D) (por exemplo, cultura celular convencional da placa de Petri) produzir experimental fisiologicamente mais realista resultados1. Os métodos de formação esferóide atualmente disponíveis incluem a técnica de queda suspensa2,a técnica de sobreposição líquida3,a técnica de celulose carboxtil4,a técnica microfluídica baseada em força magnética5,e o uso de biorreatores6. Embora cada método tenha seus próprios benefícios, é necessária uma melhora adicional na reprodutibilidade, produtividade e geração de esferóides da cocultura. Por exemplo, enquanto a técnica microfluídica baseada em força magnética5 é relativamente barata, os efeitos de fortes campos magnéticos em células vivas devem ser cuidadosamente considerados. Os benefícios da cultura esferóide, particularmente no estudo da diferenciação e proliferação de células-tronco mesenchymal, têm sido relatados em vários estudos7,8,9.
O sistema microfluídico centrífuga, também conhecido como laboratório-em-um-CD (disco compacto), é útil para controlar facilmente o fluido dentro e explorar a rotação do substrato e, portanto, tem sido utilizado em aplicações biomédicas, como imunoensaios10, Ensaios colorimétricos para detectar marcadores bioquímicos11, ensaios de amplificação de ácido nucleico (PCR), sistemas automatizados de análise de sangue12e dispositivos microfluídicos centrífugas de todos emum 13. A força motriz que controla o fluido é a força centrípeta criada pela rotação. Além disso, várias funções de mistura, valving e divisão de amostras podem ser feitas simplesmente nesta única plataforma de CD. No entanto, em comparação com os métodos de análise bioquímica acima mencionados, houve menos ensaios aplicando plataformas de CD para células culturais, especialmente esferóides14.
Neste estudo, mostramos o desempenho do sistema de esferóides microfluídicos (CMS) de base microfluífuga por monocultura ou cocultura de células-tronco derivadas do adiposo humano (hASC) e fibroblastos pulmonares humanos (MRC-5). Este artigo descreve em detalhes a metodologia de pesquisa15do nosso grupo. Assim, a plataforma de cultura esferóide lab-on-a-CD pode ser facilmente reproduzida. Um sistema gerador cms compreendendo um chip de cultura CMS, um suporte de chip, um motor DC, uma montagem de motor, e uma plataforma rotativa, é apresentado. A montagem do motor é impressa em 3D com estireno butadiene acrilonitrile (ABS). O suporte de chip e a plataforma rotativa são CNC (controle numérico de computador) usinado com o PC (policarbonato). A velocidade de rotação do motor é controlada de 200 a 4.500 rpm codificando um algoritmo de PID (proporcional-integral-derivado) baseado na modulação da pulso-largura. Suas dimensões são de 100 mm x 100 mm x 150 mm e pesa 860 g, tornando mais fácil de manusear. Usando o sistema CMS, os esferóides podem ser gerados várias condições de gravidade de 1 x g a 521 x g,de modo que o estudo da promoção de diferenciação celular alta gravidade pode ser estendido de células 2D16,17 a 3D Spheroid. A cocultura de vários tipos de células também é uma tecnologia fundamental para efetivamente imitar o ambiente in vivo18. O sistema CMS pode facilmente gerar esferóides de monocultura, bem como esferóides de cocultura de vários tipos de estrutura (por exemplo, concêntricos, Janus e sanduíche). O sistema CMS pode ser utilizado não só em estudos esferóides simples, mas também em estudos organóides 3D, para considerar estruturas de órgãos humanos.
O CMS é um sistema fechado em que todas as células injetadas entram no micropoço sem resíduos, tornando-o mais eficiente e econômico do que os métodos convencionais de geração esferóide à base de microwell. No sistema CMS, a mídia é substituída a cada 12-24 h através de um buraco de sucção projetado para remover a mídia no chip (Figura 3A). Durante o processo de sucção da mídia, quase nenhuma mídia escapa de dentro do micropoço devido à tensão superficial entre a míd…
The authors have nothing to disclose.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Basic Science Research Program (2016R1D1A1B03934418) e pelo Programa de Desenvolvimento de Biotecnologia e Tecnologia Médica (2018M3A9H1023141) da NRF e financiado pelo governo coreano, MSIT.
3D printer | Cubicon | 3DP-210F | |
Adipose-derived mesenchymal stem cells (hASC) | ATCC | PCS-500-011 | |
Antibiotic-Antimycotic | Gibco | 15240-062 | Contained 1% of completed medium and buffer |
CellTracker Green CMFDA | Thermo Fisher Scientific | C2925 | 10 mM |
CellTracker Red CMTPX | Thermo Fisher Scientific | C34552 | 10 mM |
Computer numerical control (CNC) rotary engraver | Roland DGA | EGX-350 | |
DC motor | Nurielectricity Inc. | MB-4385E | |
Dimethylsulfoxide (DMSO) | Sigma Aldrich | D2650 | |
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 | Contained 10% of completed medium |
human lung fibroblasts (MRC-5) | ATCC | CCL-171 | |
Inventor 2019 | Autodesk | 3D computer-aided design program | |
Petri dish Φ 150 mm | JetBiofill | CAD010150 | Surface Treated |
Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | |
Pluronic F-127 | Sigma Aldrich | 11/6/9003 | Dilute with phosphate buffered saline to 4% (w/v) solution |
Polycarbonate (PC) | Acrylmall | AC15PC | 200 x 200 x 15 mm |
Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dowcorning | Sylgard 184 | |
Trypsin | Gibco | 12604021 |