Гидрогель

Oct 11, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 17781 (2022) Цитировать эту статью

3188 Доступов

6 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Микрофлюидные устройства, сочетающие внеклеточную матриксную среду, клетки и физиологически значимую перфузию, являются предпочтительными в качестве платформ для культивирования клеток. Мы разработали платформу для микрожидкостной культуры клеток на основе гидрогеля, загружая инкапсулированные в гидрогель полиэтиленгликоля (ПЭГ) клетки глиобластомы U87 в закрытые мембраной лунки в полидиметилсилоксане (ПДМС). Многослойная микрофлюидная система культивирования клеток сочетает в себе ранее описанные конструктивные особенности в конфигурации, которая загружает и биомиметически перфузирует двумерный массив камер для культивирования клеток. Одно измерение массива питается от микрофлюидного генератора градиента концентрации (MCGG), в то время как ортогональное измерение обеспечивает каналы загрузки, которые заполняют ряды камер клеточной культуры в отдельном слое. В отличие от типичных древовидных смесителей MCGG, дробное серийное разбавление на 1, ½, ¼ и 0 от начальной концентрации растворенного вещества достигается за счет регулировки ширины входных микроканалов. Гидрогели эффективно и воспроизводимо загружаются во все лунки, а клетки равномерно распределяются по всему гидрогелю, сохраняя жизнеспособность > 90% до 4 дней. В анализе скрининга лекарственных средств измеряют диффузию темозоломида и кармустина к инкапсулированным в гидрогель клеткам U87 из перфузионного раствора и строят кривые «доза-реакция», демонстрируя их полезность в качестве in vitro имитатора микроокружения глиобластомы.

Почти 97% лекарств, разработанных для лечения онкологических заболеваний, терпят неудачу в ходе клинических испытаний из-за использования неадекватных моделей лекарств, в частности моделей двумерных (2D) клеточных культур in vitro1. Хотя 2D-модели клеточных культур in vitro удобны в использовании, они не отражают должным образом сложное микроокружение опухоли, поскольку на поведение клеток влияет плоская морфология обычно используемого жесткого плоского пластика2,3. Чтобы решить проблемы, связанные с двумерными моделями клеточных культур, произошел сдвиг в сторону трехмерных (3D) моделей культур раковых клеток как более физиологически значимых имитаторов микроокружения опухоли4. В целом, 3D-модели опухолей могут принимать различные формы, такие как сфероиды, органоиды или матричные культуры и совместные культуры, и это лишь некоторые из них5,6. Чтобы усложнить и повысить физиологическую значимость, 3D-модели опухолей можно комбинировать с микрофлюидными устройствами, чтобы обеспечить перфузию или имитировать васкуляризацию7. Микрофлюидные системы, сочетающие клетки, внеклеточный матрикс и перфузию, хорошо имитируют микроокружение опухоли in vivo, имеют низкую стоимость и воспроизводимость, позволяют использовать небольшие объемы культуры и имеют контролируемую конструкцию, которую можно оптимизировать для желаемого применения8. 9. Системы культивирования клеток на основе перфузии обеспечивают клетки питательными веществами и удаляют метаболические отходы таким образом, чтобы имитировать массотранспорт in vivo и поддерживать растворимые факторы в концентрациях, близких к биологическим10. Кроме того, в микрофлюидных системах можно создавать временные и пространственные градиенты, что еще больше увеличивает их ценность в качестве платформ для скрининга лекарств8. Однако разработка и эксплуатация надежной микрофлюидной перфузионной системы для 3D-культуры прикрепленных клеток млекопитающих является сложной задачей3. Проблемы могут быть связаны с конструкцией устройства, например, выбором подходящей конфигурации культуры, материалов или изготовления микрофлюидной сети, или чисто техническими, например, стерилизация, засев клеток в устройство, оптимизация массопереноса и напряжения сдвига потока для максимизации жизнеспособности клеток. и избегать пузырьков воздуха в перфузионных каналах.

Градиентные смесители были разработаны для микрофлюидных систем, которые можно использовать для перемешивания на чипе для подачи дискретных концентраций растворимых факторов в системы клеточных культур, которые можно использовать для поддержания клеток, дифференциации стволовых клеток или ответа на различные биологические вопросы11. Многие из этих микрофлюидных смесителей используют древовидные структуры с несколькими этапами, которые требуют полного перемешивания перед окончанием каждого этапа8,12,13, что аналогично конструкции, используемой здесь. Формирование градиента на кристалле исключает возможность ошибок при пипетировании, снижает вероятность загрязнения и позволяет использовать меньшее количество микрофлюидных входов, что упрощает настройку по сравнению с микрофлюидными устройствами с внешними градиентами14,15.