Kultivace buněk v otevřené mikrofluidice - Cell culturing in open microfluidics

Otevřená mikrofluidika mohou být použity v multidimenzionálním kultivace buněčných typů pro různé aplikace včetně orgán na čipu studie, reakce řízené kyslíkem, neurodegenerace, migrace buněk a další buněčné dráhy.[1][2]

Využití a výhody

Použití konvenčních mikrofluidních zařízení pro buněčné studie se již zlepšilo efektivita nákladů a požadavek na objem vzorku, avšak použití otevřených mikrofluidních kanálů přidává výhodu odstranění injekční pumpy řídit tok, nyní se řídí povrchové napětí které řídí spontánně kapilární tok (SCF) a vystavuje buňky okolnímu prostředí.[3][4][5] Miniaturizace tohoto procesu umožňuje zlepšit citlivost, vysokou propustnost a snadnou manipulaci a integraci, stejně jako dimenze, které mohou být fyziologicky relevantnější.[4][5][6][7][1] Výhody otevřené i uzavřené mikrofluidní platformy umožnily možnost kombinace těchto dvou, kde je zařízení otevřené pro zavedení a kultivaci buněk a může být před analýzou uzavřeno.[3]

Design

Buňky a bílkoviny lze vzorovat v mikrofluidních zařízeních s jednou ze stěn kanálu vystavenou v různých geometriích a vzorech v závislosti na chování a interakcích, které mají být studovány, jako například snímání kvora nebo kokultivace několika typů buněk.[6][8] Většina buněčné kultivace byla provedena zavedením buněk do a prokrvené upravené médium pro simulaci požadovaných populací buněk v tradičních mikrofluidních zařízeních s blízkým kanálem. Výzvou pro podporu buněčného růstu a simultánní studium více typů buněk v jednom zařízení s exponovaným kanálem je to, že je třeba řídit interakce mezi buňkami v tomto médiu, protože načasování a umístění interakcí je zásadní.[9] Tento problém lze řešit několika způsoby, včetně úpravy designu zařízení, použití kapiček mikrofluidiky a třídění buněk.[9][10] To umožňuje nejen snadnou manipulaci s prostředím buněk, ale otevření stěny kanálu umožňuje lepší pochopení biologických interakcí na tomto rozhraní.[9] Vytváření návrhů mikrofluidních platforem s různými oddíly, které jsou izolované a mají různé rozměry, umožňuje společnou kultivaci několika typů buněk.[6] Tato zařízení často začleňují tvorbu kapiček k zapouzdření buněk a fungují jako transportní a reakční nosiče ve dvou nebo více nemísitelných fázích, což umožňuje provádět řadu paralelních analýz za různých podmínek.[5][11] Otevřená mikrofluidika byla také spojena s fluorescencí aktivovanou třídění buněk (FACS) umožňující, aby byly buňky obsaženy v individuálně tříděných odděleních v otevřené mikrofluidní síti pro kultivaci v exponovaném prostředí.[10] Expozice jedné ze stěn kanálu představuje problém odpařování a tedy ztráty buněk, avšak tento problém lze minimalizovat použitím kapičkových mikrofluidik, kde jsou kapičky obsahující buňky ponořeny do fluorované olej.[12] Ačkoli odpařování je hlavní nevýhodou použití otevřeného mikrofluidního systému pro kultivaci buněk, výhody oproti uzavřenému systému zahrnují snadnou manipulaci a přístup k buňkám. Pro určité aplikace, jako je studium transportu drog a používání plic alveolární epitel buněk, vystavení vzduchu je nezbytné pro vývoj plic.[7]

PDMS

Polydimethylsiloxan (PDMS) je běžný materiál pro otevřená mikrofluidní zařízení, který přináší další výhody a nevýhody. The adsorpce malých biologických molekul ze vzorků kultivujících buňky a také uvolňování oligomery do kultivačního média byly považovány za problémy používání PDMS pro biologické studie, lze je však snížit přijetím postupů předúpravy pro vytvoření optimálního prostředí.[13] Mezi výhody používání PDMS patří snadnost povrchových úprav, nízké náklady, biokompatibilita a optická průhlednost.[14] Kromě toho je PDMS atraktivním materiálem pro generování gradientů kyslíku pro kultivaci buněk ve studiích, které zahrnují monitorování buněčných drah řízených ROS kvůli jeho propustnosti pro kyslík.[15] Plasty jako např polystyren lze použít k vytvoření mikrofluidních zařízení metodami ražení a lepení, CNC frézování, vstřikování nebo stereolitografie.[16][17] Zařízení vytvořená pomocí polystyrenu těmito metodami zahrnují mikrofluidní platformy, které integrují několik mikrofluidních systémů a vytvářejí pole pro současné studium několika buněčných kultur.[16] Dalším typem materiálu, který se používá pro kultivaci otevřených mikrofluidních buněk, je papírová mikrofluidika. Kultivace buněk na mikrofluidních zařízeních na papíře se provádí buď zapouzdřením buněk v a hydrogel nebo je přímo nasazovat na sebe celulóza filtrační papíry a médium buněčné kultury je pasivně transportováno do oblastí kultury.[18] Hlavní výhoda tohoto typu otevřených mikrofluidik zahrnuje nízkou cenu, rozmanitost rozměrů porézních papírů, které jsou komerčně dostupné, zlepšenou životaschopnost buněk, adhezi a migraci přes plotny pro tkáňové kultury.[18][19] Kromě toho je to atraktivní substrát pro 3D zařízení pro buněčné kultury díky své schopnosti začlenit základní vlastnosti, jako jsou gradienty kyslíku a živin, tok tekutin, které mohou řídit migrace buněk a skládání filtračních papírů s různými buňkami zavěšenými dovnitř hydrogel sledovat buněčné interakce nebo komplexní populace.[19][20][21]

Reference

  1. ^ A b Lin, Dongguo; Li, Peiwen; Lin, Jinqiong; Shu, Bowen; Wang, Weixin; Zhang, Qiong; Yang, Na; Liu, Dayu; Xu, Banglao (31. 10. 2017). „Ortogonální screening protinádorových léků pomocí systému mikrofluidních tkáňových polí s otevřeným přístupem“. Analytická chemie. 89 (22): 11976–11984. doi:10.1021 / acs.analchem.7b02021. ISSN  0003-2700.
  2. ^ Malboubi, Majid; Jayo, Asier; Parsons, Maddy; Charras, Guillaume (srpen 2015). „Mikrofluidní zařízení s otevřeným přístupem pro studium fyzikálních limitů deformace rakovinných buněk během migrace v uzavřených prostředích“. Mikroelektronické inženýrství. 144: 42–45. doi:10.1016 / j.mee.2015.02.022. ISSN  0167-9317. PMC  4567073. PMID  26412914.
  3. ^ A b Lovchik, Robert D .; Bianco, Fabio; Tonna, Noemi; Ruiz, Ana; Matteoli, Michela; Delamarche, Emmanuel (květen 2010). "Přetečení mikrofluidních sítí pro otevřené a uzavřené buněčné kultury na čipu". Analytická chemie. 82 (9): 3936–3942. doi:10.1021 / ac100771r. hdl:2434/141404. ISSN  0003-2700. PMID  20392062.
  4. ^ A b Lee, J. J., Berthier, J., Brakke, K. A., Dostie, A. M., Theberge, A. B., & Berthier, E. (2018). Chování kapiček v otevřené bifázické mikrofluidice. Langmuir, 34(18), 5358–5366. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b00380
  5. ^ A b C Schneider, Thomas; Kreutz, Jason; Chiu, Daniel T. (2013-03-15). „Potenciální dopad kapiček mikrofluidiky v biologii“. Analytická chemie. 85 (7): 3476–3482. doi:10.1021 / ac400257c. ISSN  0003-2700. PMC  3631535. PMID  23495853.
  6. ^ A b C Lee, Sung Hoon; Heinz, Austen James; Shin, Sunghwan; Jung, Yong-Gyun; Choi, Sung-Eun; Park, Wook; Roe, Jung-Hye; Kwon, Sunghoon (duben 2010). „Kapilární vzorování celulárních komunit v bočně otevřených kanálech“. Analytická chemie. 82 (7): 2900–2906. doi:10.1021 / ac902903q. ISSN  0003-2700. PMID  20210331.
  7. ^ A b Nalayanda, Divya D .; Puleo, Christopher; Fulton, William B .; Sharpe, Leilani M .; Wang, Tza-Huei; Abdullah, Fizan (2009-05-30). „Mikrofluidní model s otevřeným přístupem pro plicní specifické funkční studie na rozhraní vzduch-kapalina“. Biomedicínské mikrozařízení. 11 (5): 1081–1089. doi:10.1007 / s10544-009-9325-5. ISSN  1387-2176. PMID  19484389.
  8. ^ Boedicker, James Q .; Vincent, Meghan E .; Ismagilov, Rustem F. (2009-07-27). „Mikrofluidní zadržování jednotlivých buněk bakterií v malých objemech iniciuje chování s vysokou hustotou snímání a růstu kvora a odhaluje jeho variabilitu“. Angewandte Chemie International Edition. 48 (32): 5908–5911. doi:10.1002 / anie.200901550. ISSN  1433-7851. PMC  2748941. PMID  19565587.
  9. ^ A b C Kaigala, G. V., Lovchik, R. D. a Delamarche, E. (2012). Mikrofluidika v „otevřeném prostoru“ pro provádění lokalizované chemie na biologických rozhraních. Angewandte Chemie - mezinárodní vydání, 51(45), 11224–11240. https://doi.org/10.1002/anie.201201798
  10. ^ A b Birchler, Axel; Berger, Mischa; Jäggin, Verena; Lopes, Telma; Etzrodt, Martin; Misun, Patrick Mark; Pena-Francesch, Maria; Schroeder, Timm; Hierlemann, Andreas (06.01.2016). „Bezproblémová kombinace fluorescenčně aktivovaných sítí pro třídění a zavěšené sítě pro individuální manipulaci a kultivaci kmenových buněk a mikrotkanivových sféroidů“. Analytická chemie. 88 (2): 1222–1229. doi:10.1021 / acs.analchem. 5b03513. ISSN  0003-2700. PMID  26694967.
  11. ^ Casavant, B. P., Berthier, E., Theberge, A. B., Berthier, J., Montanez-Sauri, S. I., Bischel, L. L.,… Beebe, D. J. (2013). Suspendovaná mikrofluidika. Sborník Národní akademie věd, 110(25), 10111–10116. https://doi.org/10.1073/pnas.1302566110
  12. ^ Li, Chao; Yu, Jiaquan; Schehr, Jennifer; Berry, Scott M .; Leal, Ticiana A .; Lang, Joshua M .; Beebe, David J. (08.05.2018). „Exkluzivní odpuzování tekutin: Otevřená technologie více kapalných fází pro vzácnou buněčnou kulturu a zpracování jednotlivých buněk“. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (20): 17065–17070. doi:10.1021 / acsami.8b03627. ISSN  1944-8244. PMID  29738227.
  13. ^ Regehr, Keil J .; Domenech, Maribella; Koepsel, Justin T .; Carver, Kristopher C .; Ellison-Zelski, Stephanie J .; Murphy, William L .; Schuler, Linda A .; Alarid, Elaine T .; Beebe, David J. (2009). „Biologické důsledky mikrofluidní buněčné kultury na bázi polydimethylsiloxanu“. Laboratoř na čipu. 9 (15): 2132–2139. doi:10.1039 / b903043c. ISSN  1473-0197. PMC  2792742. PMID  19606288.
  14. ^ Halldorsson, S., Lucumi, E., Gómez-Sjöberg, R., & Fleming, R. M. T. (2015). Výhody a výzvy mikrofluidní buněčné kultury v polydimethylsiloxanových zařízeních. Biosenzory a bioelektronika, 63, 218–231. https://doi.org/10.1016/j.bios.2014.07.029
  15. ^ Lo, J. F., Sinkala, E., & Eddington, D. T. (2010). Kyslíkové přechody pro otevřené buněčné kultury pomocí mikrofluidních substrátů. Laboratoř na čipu, 10(18), 2394–2401. https://doi.org/10.1039/c004660d
  16. ^ A b Young, Edmond W. K .; Berthier, Erwin; Guckenberger, David J .; Sackmann, Eric; Lamers, Casey; Meyvantsson, Ivar; Huttenlocher, Anna; Beebe, David J. (2011-02-15). „Rychlé prototypování uspořádaných mikrofluidních systémů v polystyrenu pro buněčné testy“. Analytická chemie. 83 (4): 1408–1417. doi:10.1021 / ac102897h. ISSN  0003-2700. PMC  3052265. PMID  21261280.
  17. ^ Guckenberger, David J .; de Groot, Theodorus E .; Wan, Alwin M. D .; Beebe, David J .; Young, Edmond W. K. (2015). „Micromilling: metoda ultrarychlého prototypování plastových mikrofluidních zařízení“. Laboratoř na čipu. 15 (11): 2364–2378. doi:10.1039 / C5LC00234F. ISSN  1473-0197. PMC  4439323. PMID  25906246.
  18. ^ A b Tao, F. F., Xiao, X., Lei, K. F. a Lee, I. C. (2015). Mikrofluidní systém buněčných kultur na papíře. Biochip Journal, 9(2), 97–104. https://doi.org/10.1007/s13206-015-9202-7
  19. ^ A b Ng, K., Gao, B., Yong, K. W., Li, Y., Shi, M., Zhao, X., ... Xu, F. (2017). Papírová platforma pro buněčnou kulturu a její vznikající biomedicínské aplikace. Materiály dnes, 20(1), 32–44. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2016.07.001
  20. ^ Mosadegh, Bobak; Dabiri, Borna E .; Lockett, Matthew R .; Derda, Ratmir; Campbell, Patrick; Parker, Kevin Kit; Whitesides, George M. (2014-02-12). „Trojrozměrný model založený na papíru pro srdeční ischemii“. Pokročilé zdravotnické materiály. 3 (7): 1036–1043. doi:10.1002 / adhm.201300575. ISSN  2192-2640. PMC  4107065. PMID  24574054.
  21. ^ YAN, Wei; ZHANG, Qiong; CHEN, Bin; LIANG, Guang-Tie; LI, Wei-Xuan; ZHOU, Xiao-Mian; LIU, Da-Yu (červen 2013). „Studie okyselení mikroprostředí mikrofluidním čipem pomocí tkáně rakoviny prsu podporované vícevrstvým papírem“. Čínský žurnál analytické chemie. 41 (6): 822–827. doi:10.1016 / s1872-2040 (13) 60661-1. ISSN  1872-2040.