微流体流钱伯斯再造使用血止血建模和血小板输注

Bioengineering

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Van Aelst, B., Feys, H. B., Devloo, R., Vandekerckhove, P., Compernolle, V. Microfluidic Flow Chambers Using Reconstituted Blood to Model Hemostasis and Platelet Transfusion In Vitro. J. Vis. Exp. (109), e53823, doi:10.3791/53823 (2016).

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Abstract

Introduction

止血需要的细胞,蛋白质,离子和组织在有限的时空背景下1组合和受规管活动。不受控制的活性可能导致出血或血栓形成和发病率或死亡率有关凝血障碍的光谱。一种微流体流室的实验是一个具有挑战性的技术, 在体外模拟止血。这种方法允许的参与止血与血小板的主导作用过程中的复杂的相互作用的研究。

血管损伤后,血小板粘附到暴露的内皮下基质(糖)的蛋白质,以防止失血。以下粘附,血小板激活和聚集响应于自动和旁分泌信号并最终导致形成血小板网络的,由纤维蛋白稳定化,并导致一公司,伤口密封血栓2。与大多数其他的血小板功能检测,experi与流动室ments顾及血流的物理参数,因此,流变学对参与细胞和生物分子的3,4的影响。

流动腔实验通过改变影响止血(分)关键参数过程,包括粘合剂基质,流变和流动剖面,蜂窝组合物,毒素或药物,离子强度等等的存在产生在止血和血栓形成里程碑式的见解。在过去的二十年中,低通量需要大样本量(10-100毫升)流动腔实验已经发展到微流控室往往由小平行板室,并包括现代技术控制在墙上剪切条件下5灌注全血。 Microscaling已显著增加检测的吞吐量主要是因为硬件设置简化并需要更少的(血)量,使实验更加方便和versati勒。例如,来自小实验动物的血液,现在可以无需牺牲动物使用。因此,转基因小鼠的血样已经在帮助促进或抑制止血的关键分子的鉴定,并在新的基本见解6。

专门研究实验室还经常使用,例如定制流室从聚二甲基硅氧烷(PDMS)7上,可以通过软件blueprinted石印模具聚合。所得室是便宜,一次性和可容易地拆卸为事后分析。此外,基本上船只,包括分叉或急转弯的任何设计可以建立在命令。这种优势也是其缺点,因为标准化已经与流室实验的首要问题,而PDMS定制室都没有帮助这一点。在这个特殊问题的顶部,涂层(条件),荧光探针,抗凝,临时erature和时间采样和分析之间都很差标准化8。这些变量标准化是具有挑战性的,但仍然需要允许实验室间的结果进行比较。本主题是血栓与止血国际社会在对生物流变学9,10科学和标准化分委员会的主要议题。

血小板浓缩物(PC)进行输血在从引起血小板减少和/或出血的各种疾病的患者。但血小板在个人计算机是众所周知的脱敏,特别是在放置时间11功能,劣化进程链接到老化和通常被称为血小板储存损伤。据说有时,这种血小板输血一次发行12恢复,但对于这方面的证据是稀缺的。此外,血小板构成的PC的功能不是常规测试,因为这样的测定之间的关系的治疗或预防效力是13不清楚。微流体流动腔室提供给调查在个人电脑的血小板功能,以优化收集和发行之间操作的链的装置。它是PC,因为我们先前公布的14,15和这里描述的直接(配对)比较强大的研究工具。

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Protocol

该协议遵循了人类样本的研究机构道德准则和所涉及的所有供体获得知情同意书。从安特卫普大学医院的机构审查委员会获得批准,这里所描述的实验。

注:温度指示总是室温下,除非另有说明。

1.准备流室设置

  1. 准备车道,油管和引脚
    1. 涡流的胶原悬浮液剧烈和在由提供者提供到50微克/ ml的终浓度,等渗葡萄糖溶液稀释1/20。
      注意:我们使用马肌腱胶原蛋白,主要由I型纤维的。该马I型胶原常被称为“禾木”胶原和为这种类型的测定法9的两个历史以及生物原因金标准。第三人型胶原也可使用,但第Ë蛋白原纤维外套较差,血小板反应不强。其它涂覆的表面也可以使用,例如血管性血友病因子(vWF),纤维蛋白原,纤连蛋白,层粘连蛋白,玻连蛋白,血小板反应蛋白-1或这些16的组合。
    2. 以从供应商的容器新的一次性生物芯片。这里使用的生物芯片的尺寸单位为mm 3 0.4W点¯x0.1H点¯x20L。
    3. 吸管0.8微升到微流体生物芯片上的芯片和标记为出口的一端车道(多个)。确保车道填充5/6用含有1.1.1制备涂覆溶液中的胶原蛋白。确保有没有气泡。
      注意:通道被部分地涂覆,以避免胶原纤维堆积在通道的入口(见讨论)。
    4. 孵育在4℃下,在湿润的和封闭的容器4小时或过夜。
    5. 吹打封闭缓冲液(1.0%(重量/体积)牛血清白蛋白的方框涂覆频道ð0.1%(重量/体积)葡萄糖在10mM 4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸(HEPES)缓冲的盐水(HBS; 0.9%(重量/体积)氯化钠,pH值7.4)在其另一端与标记作为入口。确保该车道被完全填充有封闭缓冲避免气泡。
    6. 在等长(12厘米)的切割管道。使用每通道之一,各管一个引脚连接。例如,一个实验比较两种条件下,一式两份运行将需要四个管道伸展和四个引脚来制备。
    7. 冲洗使用注射器和一&G针或所附连接用蒸馏水油管。
    8. 饱和用封闭缓冲液的管。商店中最少1小时的封闭和加湿容器。
  2. 准备泵和阀组
    1. 冲洗泵和用蒸馏水歧管,以消除气泡。
    2. 吸出封闭缓冲液出使用在出口处的固定的10微升末端生物芯片车道(多个)。清洁的表面用精密无尘擦拭酒精变性生物芯片去除印刷品和灰尘。
    3. 修正了在自动化显微镜阶段的生物芯片。如果多于一个车道在一个运行同时使用的,八车道歧管分离器连接至生物芯片的插座。
      注意:八车道歧管分离器是一个硬件( 图S1)连接到所述泵和生物芯片。它允许在生物芯片或车道可以是运营商定义在所附的软件的组合的所有可用(8)泳道的操作。
    4. 使用管道针修复他们在生物芯片的入口。将管接头(没有针)的1.5毫升的锥形试管填充用HBS的另一端。冲洗所有管道和它们与使用泵1毫升HBS连接通道,以便除去剩余封闭缓冲液和不良粘附胶原蛋白。

2.血液样品的制备

  1. 收集和分离新鲜全血从健康志愿者。17
    1. 收集的血液的第一毫升在含有乙二胺四乙酸(EDTA)作为抗凝剂真空管和只用自动血液分析仪使用该样本为全血计数(CBC)。
    2. 收集的血液在使用真空管合适的抗凝剂的体积。对于流动腔实验标准抗凝剂是肝素或水蛭素时血纤维蛋白形成不是研究方案和柠檬酸钠时,它是的一部分。
      注意:肝素用作在结果中所描述的所有实验中的抗凝血剂。
      注意:血液的量取决于实验次数被执行。大约1管(7ml)中为3条车道。
    3. 放置试管旋转器上挂起的血液重建。
      注意:该测定应放血的3小时内完成。
    4. 在250G离心15分钟,以制备富血小板血浆(PRP)。不要使用离心机休息,防止松散填充颗粒的干扰。
      1. 当收集多个管子,池血在一个锥形离心管中。
        注意:离心可以做更慢或长或短,取决于PRP产量和差动单元“污染”优选的。
    5. 卸下并丢弃PRP和白膜层产生浓缩红细胞少数血小板。
      注:在聚集的红细胞部分的血小板计数为13±5×10 3%微升(平均值±SD,N = 12),平均在我们手中。
  2. 重建血
    1. 在37℃下解冻AB血型(恒河猴D阴性)等离子体进行5分钟,每4毫升20秒。
    2. 确定使用自动血液分析仪在2.1.5中制备的浓缩红细胞的血细胞比容。
    3. 确定血库的血小板浓度来制备浓缩血小板塔T将用于重建上述红细胞馏分。
    4. 计算聚集的红血细胞和血小板浓缩,将产生40%的血细胞比容和250×10 3血小板/微升1ml样品中的体积。
      注:细胞的其它靶滴度可任意设定,取决于研究协议。
    5. 转移使用裁剪吸管尖和添加血小板浓缩直至达到1毫升的样品体积堆积的红血细胞和血浆入新鲜试管。
      注意:根据所研究的变量,将血浆部分应该是所有冲调样品在等于因为等离子体具有对血栓形成速率的显著影响。例如,反复从不同供体或不同的抗凝血剂作出可能影响结果冻融或血浆。
    6. 轻轻颠倒混合重组血液和执行CBC。
    7. 制备其中血小板馏分的体积置换的“空白”对照样品用相同体积的0.9%(M / V)氯化钠的水,以确定内源性血小板中使用CBC重构血液中的浓度( 非血库血小板)。
  3. 贴标
    1. 移液管1毫升含有1微升的5mM钙黄绿素AM(5μM的最终浓度)的试管中重构血液。
      注:其他细胞的染料可以使用14。
    2. 通过颠倒轻轻混匀。
    3. 孵育在37℃,使用前5分钟。

3.灌注试验

  1. 专注于车道的底部附着在胶原纤维的目标。理想情况下,用于此聚焦战略相衬或微分干涉对比(DIC)的设置。在实验软件选择“选定的小片区域的设置当前Z'以数字修正所选Z-位置。
  2. 在的米实验软件选择的车道(XY)感兴趣区域(ROI)的区域icroscope将在实验过程中被记录。
    注:投资回报率可以是灌注车道内随意选择任何表面区域。最好是不进行分析血栓形成接近一个车道的入口和出口,以便避免在该区域中的可变流动剖面的副作用,即使这是比较小的。在ROI表面积应包含血小板的显著数或血栓,以允许信号的流平性。在这个协议中的投资回报率是得到0.62 平方毫米的2厘米长车道中间的三个相等大小的侧面并排图像的数字缝合集合体。
  3. 轻轻颠倒混合样品并在自动阶段这些旁生物芯片的位置。
  4. 放置与该生物芯片在含有重组血样试管入口连接的管路。
  5. 启动用于链接到试管那些信道(根据需要或其它剪切应力),在50达因/厘米2的泵含有用泵的软件重构血样。
    注:其他的剪切应力可以被使用。
  6. 记录的图像,每15秒,用显微镜的采集和实验软件实时5分钟。
    注:其他的时间序列可以根据实验设置使用。
    注意:我们一般使用放大100倍(10X物镜和10X透镜),但更高(或更低)放大率可以方便地用来作为替代。

4.洗出

  1. 洗出所有管路连接于出口,并使用蒸馏水连接到多信道歧管或泵,接着次氯酸钠(漂白剂)0.5%(体积/体积),最后的0.1M NaOH水溶液。放弃固定在生物芯片的入口作为危险废物管道。

5.数据分析

  1. 确定与该图像分析软件血栓生长动力学。下列命令专用于ZEN2012。 打开插件图像分析来确定血小板的表面覆盖。
  2. 坐落在分析交互式标签来定义一个积极的信号相关 ​​的像素亮度, 在坚持血小板或血小板粘附荧光阈值。
  3. 使用创建的表自动生成的电子表格将包含那些“对象”包含的像素与所选择的阈值之间的信号的单独的表面积(以μm2)。这是对每个时间点进行。
    注意:一旦荧光阈值已选择,分析软件会自动检测视野'对象'是符合标准。这些对象是血栓,小血小板聚集体或单个血小板并覆盖像素的数量。每个对象在电子表格中单独列出。
  4. 以XML格式保存这些电子表格和电子表格程序打开它们进一步计算。
  5. 由求和所选对象的总的表面积和由测量字段(微米2)的总面积除以结果。这将产生的相对表面覆盖率(%)。这样做的每一个时间点。
  6. 在灌注时间函数图,这些表面覆盖范围,并通过线性回归计算斜率,产生特定条件血栓生长动力学。

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Representative Results

为了证明批内变异,三个相同的重构的全血样品,在胶原涂覆的表面( 图1)同时灌注。这导致了8.7%的变异系数。这一统计数字表明,接受内部试验和实验室内的变化允许相关样本之间可靠的比较。

商业流室的我们在这里描述的入口垂直于测量室,这可引起轻微的湍流,而不是在该点的层流。特别是在无抗凝实验这可能会导致由于血液和固定激动剂之间的增加的接触时间的堵塞。堵塞的入口可以混淆在腔室下游的读出。因此,安装用部分涂覆流动室( 图2)离开优化入口缺乏血小板激动剂,从而避免主次止血不及时激活。粘合面的部分涂层而且成功地在该领域16被其他研究团体。此外,这种简单实用的技巧是一种资产,研究“过渡”区,在那里流过非反应型(无涂层)表面的血液继续通过反应(涂层)部分。

输血通过用缺陷型分量重构血液模拟。到这个目的,抗凝全血从健康供体通过差速离心和PC血小板呈现血小板中加入以增加血小板计数。在这里,一个重要的问题是什么血小板计数为目标的呢?在大多数情况下,现实生活中的输血不导致在血小板患者血小板计数正常化。而高于某一阈值的目的是为,虽然确切的目标值是不明确的19。为了理解不同于在血液重构的上下文中的微流体流动室成果血小板计数的影响下,几个reconstitutions用减少血小板浓度( 图3)进行的。正如预期的,低级的血小板计数导致的灌注时间函数少的粘合。因此,一个给定的研究中,血小板计数应规范允许样品条件20之间的比较。起码的事实是有当血小板计数低不然而并不意味着该测定不能用于测量血小板样品中血小板沉积因为显微镜和相机的设置可以适于提高灵敏度粘着较少。最后,在大多数情况下,用于重构的血小板样品含有这类似于在大多数输血苛刻患者19的情况其余自体血小板。这是CURRently不清楚,什么自体血小板的作用是与异体输血的血小板的背景下,但为今后的研究一个有趣的问题。

继健康的自愿献血者的血液采集,全血通常冷却到和之前成分制剂保持在恒定室温。血小板对温度变化敏感然而, 图4示出了采血后和灌注过程中的温度下降的效果。血栓被发现相比于相同的(成对)样品至更慢建立当血液被冷却到室温( 图4A)保持在37℃,在整个研究中( 图4B)。

在循环,血小板结合在升高的壁剪切应力条件血管损伤位点。在微流控流动腔Ç不同的剪切速率与VWF oated /纤维蛋白原导致在终点总血小板粘附( 图5A)的差异和血栓生长动力学( 图5B)。

最后,以证明流如何微流体腔室可以被用于研究用于输血的PC,在PC存贮的功能血栓生长动力学进行了研究。在样品制备和实验设置所有变量在整个研究期间进行了标准化。因此,唯一的可变参数是电脑储存时间。 图6表明在减少储存时间的函数血栓增长表明血小板储存损伤的止血体外的作用。

图1
图1:在微流体流动腔实验批内变异微流体FLO瓦特室实验在50达因/平方厘米上固定胶原进行。所有三个相同的重构全血样品中平行,并在同一时间进行灌注。结果显示为范围(威威)在灌注时功能的表面覆盖。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2:用相差显微镜观察局部涂通道 (A)胶原纤维被发现仅在涂层区。 (B)在50达因泵送钙黄绿素AM标记的重构的全血样品5分钟灌注后快照/厘米2所示。两个图像是在100X放大倍数下拍摄。 ig2large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。

图3
图3:血栓生长动力学依赖于重组血小板计数 (A)血用血库的血小板再造浓缩产生不同的血小板浓度:245×10 3 /μL(●),42×10 3 /μL(■)和12 ×10 3 /μL(▲)。物在50达因/平方厘米的剪切应力同时进行所有三个样品用胶原涂覆的通道的微流体流动室实验。 (B)在A组中描绘的原始数据进行线性回归计算的斜坡。 请点击此处查看该图的放大版本。

内容】“FO:保together.within页=”1“> 图4
图4:温度和微流体流动腔室中肝素真空采血管采集的全血保存在室温下,(A)或在37℃(B)的水浴15分钟。在50达因的剪切应力在固定化胶原微流体灌注/进行厘米2。在结束点(5分钟灌注)描绘捕捉镜头。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5
图5:剪切应力对血小板粘附到固定的VWF /纤维蛋白原的作用 (A) 四个相同,钙黄绿标有AM,再造全血样品被灌注在一个VWF /纤维蛋白原表面覆盖可变剪切应力:4.5达因/平方厘米(●),50达因/平方厘米(■),90达因/平方厘米(▲)和225达因/平方厘米(♦)。 3分钟灌注后,快照拍摄所有四个通道。在(A)中描述的样本时间的函数(B)表面覆盖范围显示出血栓生长动力学差异。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6
图6:血栓形成血小板中的储存时间函数集中所有微流体流动室实验在胶原涂覆的表面在标准条件下,在50达因/厘米2的剪切速率进行。血液是reconstituted与上一日三(●)重复测试相同的浓缩血小板样本,七(■)和十(▲)后捐赠。在灌注时间的功能被描绘表面覆盖范围。 请点击此处查看该图的放大版本。

的身影1

图S1:微流体流动室硬件设置 (A)腔8氟+生物芯片被安装在显微镜的自动阶段并经由柔性管连接到注射器泵与歧管泵送功能分成八个单独的通道。 (B)再生血液流经右侧一次性管导入生物芯片(入口)的所选择的信道。一次性管通过stainl固定在入口与安装提供ESS钢一次性针。 (B)中的血流量是从右到左,并收集在长的柔性管材。 请点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

微流体流室的实验是研究在流动的血液中血小板的功能一个很好的工具,用于在不同的实验环境,以评估在体外止血。尽管可怜的实验室间标准化9,我们证明了我们的实验室内的实验误差是可以接受的。这允许一个给定的研究中比较可靠(配对)的样品。这是使用血小板存储病变,这是血小板保存在血库条件11的不利后果的有案可稽现象验证。此外,我们最近公布的三个可用的病原体灭活技术在PC上血小板功能在微流控流动腔血液之后的14,15重建的影响。

血小板有不同的反应时,生物物理和-化学参数变化20。因此,剪切应力,细胞数和细胞composi化,温度,涂层,抗凝血剂和许多其它因素可根据所研究的问题该协议内进行修改。该协议仅使用市售硬件和软件工具,允许其他实验室以进行类似的测定。对基础研究的目的这可能是一个缺点,特别是因为可用的硬件比定制的设置功能较少。本身该法是强大的,但重复性从生物学和时间变化受到影响。因此,测定样品需要尽可能配对并研究尺寸应足够大。样品也需要时间来进行配对,因为重建血液只能存放时间短。

虽然血小板功能的研究微流室都推动了研究领域,应谨慎采取过度解读对血液流变学血小板依赖。第一,流动室的矩形形状没有生理,卜T中最好的,我们必须允许光学聚焦于不断增长的血栓。第二,血管不是由塑料制成,血管弹性的对血小板功能的影响,因此无法在这个协议中进行研究。三,心脏搏动引起流动,而注射泵更线性的(虽然也略有搏动)。最后,纤维状I型胶原蛋白是下气流用于血小板研究的标准材料,这是动物来源的。值得注意的是但是,纤维状I型胶原和血小板功能的临床结果在很多情况下很好的相关性如由几十年(透光)经验凝集21,22。

有许多实验来研究血小板功能23。大多数这些解决一个或几个血小板功能,而把血小板工作,止血(模型)。这里展示了血栓的形成实时成像是最具包容性的,到今天为止。这意味着解放军的大多数方面telet对血管损伤的响应都包括在内。独特的优点是血液流动的包容和所有血细胞的存在。该测定是为抗血小板治疗24以及产生异常血小板功能25基因改变目前使用的药物敏感。这表明它作为血小板功能的相关指标值。该测定的综合性质仍然也意味着它是比那些测定法测定血小板的响应的特定功能的分析更小。因此,通过可以通过流室测定挑上浓缩血小板血库操作的影响,但是解读是什么原因导致他们,则需要额外的分析。例如,我们的数据表明,温度显著影响在微流体流动腔室血小板粘附。但是,更多的详细的分析表明,冷藏血小板改变形状和集群GPIbα启动受体26。

[16]最近的研究证明基板定义的相关性血小板系统生物学。此外,在基片的功能变化剪切速率的组合是重要的,因为与固定的VWF血小板结合将要求高剪切速率,而这是用于结合到胶原不太重要。因此,根据所研究的问题,选择可以在什么基片制成,它们各自的流速将被包括在内。

总之,我们提出了一个协议,用于微流体流室实验来研究血小板功能血库和输血医学的背景下。标准化工作正在进行9,10,28-30,大部分的这些建议都包含在提交的协议。血液的重建为模型输血,但额外的验证工作应注明相关临床结果。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
BD vacutainer tube with EDTA  Becton, Dickinson and Company 368856
BD vacutainer tube with Heparin Becton, Dickinson and Company 368480
BD vacutainer tube with Sodium Citrate Becton, Dickinson and Company 366575
Hirudin Blood tube Roche 6675751 001
BD vacutainer Eclipse Becton, Dickinson and Company 368650 Blood collection needle with preattached holder
Pipette tips 100-1,000 Greiner bio-one 740290
Pipette tips 2-200 Greiner bio-one 739280
Pipette tips 1-10 Eppendorf A08928
Tube 5 ml Simport 11691380
Conical tube 15 ml Greiner bio-one 1888271
Conical tube 50 ml Greiner bio-one 227261
10 ml Syringe BD 309604
Precision wipes Kimtech 5511
Vena8 Fluoro+ Biochips Cellix 188V8CF-400-100-02P10 Named in Figure S1 A as 'Biochip'
Vena8 Tubing Cellix TUBING-TYGON-B1IC-B1OC-ROLL 100F Named in Figure S1 B as 'Disposable tubing'
Vena8 Needles Cellix SS-P-B1IC-B1OC-PACK200 Named in Figure S1 B as 'Pin'
Connectors for single inlet cables of biochips Cellix CONNECTORS-B1IC-PACK100
Multiflow8 connect Cellix MF8-CONNECT-BIC3-N-THROMBOSIS Named in Figure S1 B as 'Reusable tubing' and 'Splitter'
Humidified box Cellix HUMID-BOX
Software microfluidic pump Cellix N/A Venaflux Assay
Horm Collagen Takeda/Nycomed 1130630 Native equine tendon collagen (type I)
Isotonic glucose solution to dilute collagen is supplemented
HEPES buffered saline (HBS) in house preparation in house preparation 10 mM 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES) buffered saline (0.9% (w/v) NaCl, pH 7.4)
Blocking buffer in house preparation in house preparation 1.0% (w/v) bovine serum albumin and 0.1% (w/v) glucose in HBS
Calcein AM Molecular probes C1430
Bleach 10% in house preparation in house preparation
0.1 M NaOH in house preparation in house preparation
Denaturated alcohol Fiers T0011.5
Mirus Evo Nanopump Cellix 188-MIRUS-PUMP-EVO with Multiflow8. Named in Figure S1 A as 'Pump' and 'Manifold'
Microscope Zeiss Axio Observer Z1 equipped with a colibri-LED and high resolution CCD camera
Software microscope  Zeiss N/A ZEN 2012
Hematology analyzer Sysmex N/A
Table Top Centrifuge Eppendorf 521-0095
Platelet incubater Helmer PF-48i
Incubation water bath GFL 1013
Pipette Brand A03429
Tube Roller Ratek BTR5-12V
Sterile docking device Terumo BCT TSCD
Tubing Sealer Terumo BCT AC-155
Vortex VWR 58816-121

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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