22 июня 2012 г.
Метод культуре эндотелиальных монослоя клетки по всему внутреннему 3D поверхность микрофлюидных устройство с микрососудистой размеров каналов (<30 мкм) описывается. Это В пробирке Микрососудов модель позволяет изучать биофизические взаимодействия между клетками крови, эндотелиальных клеток и растворимых факторов, в гематологических заболеваний.
Общая цель данной процедуры заключается в создании микрофлюидного устройства, покрытого эндотелиальными клетками. Это достигается путем первоначального изготовления формы для микрофлюидного устройства. Вторым этапом является создание канала из PDMS.
Затем эндотелиальные клетки высевают в устройство. Заключительным этапом является культивирование клеток внутри устройства. В итоге микрофлюидные устройства, покрытые эндотелиальными клетками, используются для изучения межклеточных взаимодействий in vitro.
Основным преимуществом данного метода по сравнению с существующими способами является то, что он обеспечивает исследователю строгий контроль над биологическими и биофизическими условиями, а также совместим с флуоресцентной микроскопией. Хотя этот метод позволяет изучить биофизические взаимодействия клеток при гематологических заболеваниях, его также можно применять для исследования таких явлений, как биология лейкоцитов, метастазирование рака и биология гемопоэтических стволовых клеток. Как правило, люди, только начинающие осваивать этот метод, могут столкнуться с трудностями, так как для успешного прикрепления клеток требуется строгое соблюдение условий.
В процессе подготовки к изготовлению создается фотошаблон путем отправки изображения микрофлюидного устройства, созданного в системе автоматизированного проектирования, стороннему поставщику масок. Полученный шаблон представляет собой слой хрома на натриево-известковом стекле. В данном случае ширина микрофлюидного канала составляет 30 microns.
Для начала изготовления микрофлюидного устройства очистите чистую кремниевую пластину раствором Пиранья в течение 15 минут, затем промойте деионизированной водой в течение 10 секунд. Затем погрузите кремниевую пластину в плавиковую кислоту на 30 секунд и промойте деионизированной водой примерно в течение 10 секунд. Далее с помощью центрифуги-наносителя нанесите на пластину фоторезист MicroChem SU-8 2025 до достижения толщины 30 мкм при скорости вращения 3000 об/мин.
Поместите пластину, покрытую SU 8 20 25, на нагревательный элемент, установленный на 95 °C, на пять минут для удаления избытка растворителя. Для этого этапа использование печи не рекомендуется. Затем наложите фотошаблон на пластину и подвергните воздействию УФ-излучения в маск-линере для сшивания молекул фоторезиста SU 8 20 25.
После сшивки снова поместите пластину на нагревательную плитку при 95 °C еще на пять минут, чтобы дополнительно ускорить полимеризацию фоторезиста SU 8 20 25. Затем погрузите пластину в проявитель SU 8, состоящий преимущественно из P-G-M-E-A, на четыре минуты.
Это позволит удалить несшитый фоторезист SU 8 20 25. Промойте свежепроявленную пластину 100% изопропиловым спиртом в течение 10 секунд, затем высушите ее с помощью сжатого азота или дав растворителю испариться с поверхности пластины в чистом вытяжном шкафу в течение нескольких минут. Теперь закрепите высушенную пластину скотчем в центре чашки Петри, стараясь наносить скотч по краям пластины.
Наконец, нанесите пипеткой 500 µL раствора Sigma Coat на пластину. Накройте чашку Петри крышкой, после чего осторожно перемешайте содержимое круговыми движениями, чтобы обеспечить полное покрытие пластины. Снимите крышку и дайте пластине высохнуть в течение нескольких минут до полного испарения растворителя.
После смешивания полимера PDMS и отвердителя в весовой пропорции 10:1 удалите пузырьки воздуха с помощью вакуумного эксикатора в течение нескольких минут или до одного часа, в зависимости от мощности имеющейся вакуумной системы. Когда все пузырьки воздуха будут удалены, залейте смесь в чашку так, чтобы подложка и поверхность чашки были полностью покрыты. Это позволит создать слой PDMS толщиной примерно пять миллиметров.
Также создайте тонкий безрисуночный слой PDMS толщиной 1 мм. Затем отвердите смесь в духовке при 60 °C в течение ночи. На следующий день с помощью ножа или скальпеля вырежьте область вокруг пластины и извлеките несколько микрофлюидных устройств из PDMS.
Затем разрежьте лист, чтобы изолировать отдельные устройства. Вырежьте лист PDMS так, чтобы он был немного больше микрофлюидного устройства. Теперь с помощью ручного сверлильного станка (пин-виса) Harris Unicorn или аналогичного устройства проделайте входные и выходные отверстия в микрофлюидном устройстве.
Затем очистите поверхности микрофлюидного устройства и листа с помощью липкой ленты. После этого с помощью установки для плазменной очистки подвергните поверхности микрофлюидного устройства и листа PDMS воздействию кислородной плазмы в течение 30 секунд. Кислородная плазма создает на открытой поверхности PDMS активные частицы, которые образуют связи при физическом контакте.
Затем наполните одномиллилитровый шприц, оснащенный тупоконечной иглой 20G, раствором фибронектина из плазмы человека в PBS в концентрации 50 µg/mL, после чего наденьте на иглу отрезок трубки. Вставьте в первый отрезок трубки фрагмент трубки меньшего диаметра, чтобы создать плотное фрикционное соединение между ними.
Затем прикрепите другой конец трубки меньшего диаметра к входному отверстию микрофлюидного устройства. Надавите на поршень шприца, чтобы полностью заполнить каналы раствором фибронектина и сформировать небольшую каплю объемом 100 µL на выходном порту, чтобы каналы оставались влажными. После этого инкубируйте микрофлюидное устройство в увлажненном инкубаторе при 37 °C в течение 40–60 минут.
После инкубации подсоедините новый шприц, заполненный PBS, к игле с тупым концом. Надавите на поршень, чтобы промыть микрофлюидное устройство PBS. Приготовьте суспензию эндотелиальных клеток пупочной вены человека (hve) в концентрации от 500 000 до 2 миллионов клеток на миллилитр в среде для роста эндотелия с 8% декстраном.
Добавление декстрана повышает вероятность успешного прикрепления и культивирования клеток внутри микрофлюидного устройства. Заполните чистый шприц, оснащенный иглой с тупым концом и трубкой большего диаметра, суспензией клеток и подсоедините к нему отрезок трубки длиной примерно один метр. Крайне важно обеспечить плотное прилегание трубки, чтобы исключить утечки в местах всех соединений.
Заполните трубки раствором с клетками, убедившись в отсутствии пузырьков воздуха как в шприце, так и в трубках, чтобы оптимизировать работу системы. На данном этапе крайне важно не допустить утечек или попадания пузырьков в систему. Любая утечка раствора или наличие пузырьков в среде помешают успешному прикреплению эндотелиальных клеток.
После удаления всех пузырьков воздуха и заполнения всей длины трубки суспензией клеток установите шприц в насос, а другой конец трубки подсоедините к микрофлюидному входу. Шприцевой насос должен находиться на одном уровне с микрофлюидным устройством. Длинный отрезок трубки аккуратно уложите в инкубаторе в виде спирали, чтобы клетки и среда достаточно прогрелись перед попаданием в устройство.
Затем суспензия клеток вводится в микрофлюидное устройство со скоростью потока 1,23 µL/мин в течение двух часов при 37 °C и 5% CO2 в нашей системе. Скорость потока 1,23 µL/мин соответствует средней скорости потока 1 мм/с в самых узких каналах. При использовании цельной крови это примерно соответствует напряжению сдвига на стенке 1 дин/см² в этих каналах.
После завершения инфузии клеточной суспензии используйте тот же шприцевой насос и длинную трубку с шприцем большего объема для подачи свежей ростовой среды в течение от двух до восьми дней со скоростью 1.23 microliters per minute. Когда монослой клеток достигнет желаемого уровня конфлюэнтности, введите в систему кровь или клеточную суспензию для проведения эксперимента. На данном изображении показано микрофлюидное устройство до эндотелизации.
Микрофлюидное устройство было заполнено пищевым красителем для иллюстрации размеров, масштаба и общего дизайна устройства, имитирующего физиологию сосудистой сети. Микроскопия в светлом поле демонстрирует эндотелизацию микрофлюидного устройства. Данное изображение было получено менее чем через 48 часов после посева с использованием описанного протокола; оптимизированный метод перфузии позволяет эндотелиальным клеткам сформировать сплошной монослой на всей внутренней поверхности микрофлюидной системы.
В течение 24–48 часов после посева клеток. Как показано на этом конфокальном изображении, микрососудистая опухоль на чипе с микроканалами имитирует размер посткапиллярных сосудов (30 микрон), которые являются местом большинства случаев микрососудистой обструкции при серповидноклеточной анемии. В данном эксперименте цельная кровь здоровых пациентов вводится в устройство с микрососудистой сетью на чипе в условиях дезоксигенации.
В данном видео показано, что поток цельной крови в нашей эндотелиальной микрофлюидной системе является равномерным, плавным и непрерывным, без участков обструкции микроканалов. Здесь цельная кровь пациентов с серповидноклеточной анемией вводится в устройство «микрососудистая сеть на чипе». В условиях дезоксигенации наблюдаются значительные изменения кровотока с полными окклюзиями в нескольких каналах.
При выполнении данной процедуры важно следить за тем, чтобы при замене трубок не было допущено попадания пузырьков воздуха. Готовое устройство совместимо с флуоресцентной микроскопией и может быть адаптировано для традиционных флуоресцентных анализов. Данный метод открывает перед учеными-гематологами возможность проведения экспериментов с отдельными клетками в контролируемой биофизической и гемодинамической среде.
Без пузырьков.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
В данной статье описывается метод культивирования монослоя эндотелиальных клеток в микрофлюидном устройстве с каналами размера микрососудов. Эта модель in vitro облегчает изучение взаимодействий между клетками крови, эндотелиальными клетками и растворимыми факторами при гематологических заболеваниях.
Эта эндотелизированная микрофлюидная платформа устраняет критический пробел в исследованиях гематологических заболеваний, обеспечивая точный контроль микрососудистой гемодинамики и биофизических условий. Она представляет собой воспроизводимую систему in vitro для изучения патогенных взаимодействий между клетками и эндотелием в условиях потока, что способствует механистическому снижению рисков при валидации мишеней и разработке методов анализа. Данная модель повышает прогностическую достоверность для перспективных гематологических препаратов за счет воспроизведения патофизиологии на уровне посткапиллярных венул, имеющей значение при вазоокклюзионных кризах.
Данный метод вписывается в континуум исследований — от проверки гипотезы о мишени до доклинических испытаний эффективности, в частности для гематологических препаратов, воздействующих на микрососудистую адгезию или эндотелиальную активацию.