Génération de conditions environnementales dynamiques à l’aide d’un dispositif microfluidique à haut débit

Summary

Nous présentons un système microfluidique pour les études à haut débit sur les machines de vie complexes, qui se compose de 1500 unités de culture, une gamme de pompes périsaltiques améliorées et un module de mélange sur place. La puce microfluidique permet d’analyser in vivo les conditions micro-environnementales très complexes et dynamiques.

Abstract

Imiter les conditions environnementales in vivo est crucial pour les études in vitro sur les machines de vie complexes. Cependant, les techniques actuelles ciblant les cellules et les organes vivants sont soit très coûteuses, comme la robotique, soit manquent de volume de nanolitres et de précision milliseconde dans la manipulation liquide. Nous présentons ici la conception et la fabrication d’un système microfluidique, qui se compose de 1500 unités de culture, d’une gamme de pompes périsaltiques améliorées et d’un module de mélange sur place. Pour démontrer les capacités du dispositif microfluidique, les sphères des cellules souches neurales (NSC) sont maintenues dans le système proposé. Nous avons observé que lorsque la sphère de la CSN est exposée au CXCL au jour 1 et au FEM au jour 2, la conformation en forme ronde est bien maintenue. La variation de l’ordre d’entrée de 6 médicaments entraîne des changements morphologiques dans la sphère de la CSN et le marqueur représentatif du niveau d’expression de la stemness NSC (c.-à-d. Hes5 et Dcx). Ces résultats indiquent que les conditions environnementales dynamiques et complexes ont de grands effets sur la différenciation et l’auto-renouvellement de la CSN, et le dispositif microfluidique proposé est une plate-forme appropriée pour les études à haut débit sur les machines de vie complexes.

Introduction

Les techniques à haut débit sont cruciales pour les études biomédicales et cliniques. En effectuant parallèlement des millions de tests chimiques, génétiques ou cellulaires vivants et organoïdes, les chercheurs peuvent rapidement identifier les gènes qui modulent une voie biomoléculaire et personnaliser l’apport séquentiel de médicaments en fonction de ses besoins spécifiques. La robotique^{1 et} les puces microfluidiques en combinaison avec un programme de contrôle des périphériques permettent d’automatiser des procédures expérimentales complexes, couvrant la manipulation des cellules et des tissus, la manipulation liquide, l’imagerie et le traitement/contrôle^{des données 2,3}. Par conséquent, des centaines et des milliers de conditions expérimentales peuvent être maintenues sur une seule puce, selon le débit^{désiré 4,5}.

Dans ce protocole, nous avons décrit la procédure de conception et de fabrication d’un dispositif microfluidique, qui se compose de 1500 unités de culture, d’un éventail de pompes périsaltiques améliorées et de modules de mélange sur place. La chambre de culture cellulaire à 2 niveaux empêche le cisaillement inutile pendant l’échange moyen, ce qui assure un environnement culturel intact pour l’imagerie cellulaire vivante à long terme. Les études démontrent que le dispositif microfluidique proposé est une plate-forme appropriée pour des études à haut débit sur les machines de vie complexes. En outre, les caractéristiques avancées de la puce microfluidique permettent la reconstitution automatisée de conditions microenvironnementales très complexes et dynamiques in vivo, comme les cytokines et ligands toujours changeantes compositions^6,7 , dont^{l’achèvement}prend des mois pour les plates-formes conventionnelles comme la plaque de 96 puits.

Protocol

1. Conception de puces microfluidiques Concevoir le multiplexeur microfluidique composé de 18 entrées, chacune d’entre elle est contrôlée par une valve individuelle et une pompe périssaltique. Pour augmenter le volume liquide entraîné par le cycle de pompage, que la pompe périssaliste soit composée de 3 canaux de commande, qui ont été délibérément élargis à 200 μm, et de 10 lignes d’écoulement connectées. Concevez la chambre de culture sans cisaillement. La réplication de l’u…

Representative Results

La pompe périssaltique conventionnelle sur puce a d’abord été décrite par Stephen Quake en 2000, en utilisant laquelle la péristalsis a été actionnée par le modèle 101, 100, 110, 010, 011, 001 8,10. Les nombres 0 et 1 indiquent « ouvert » et « proche » des 3 lignes de commande horizontales. Des études utilisant plus de 3 valves (p. ex., cinq) ont également été rapportées11. Même si la pompe périssaltique composée de …

Discussion

Divers dispositifs microfluidiques ont été développés pour effectuer des expériences multiplexées et^{complexes 17,18,19,20}. Par exemple, les microwells faits d’un éventail de cavités topologiques peuvent piéger des cellules individuelles sans l’utilisation de la force externe, montrant des caractères avantageux comprenant la petite taille d’échantillon, la parallélisation, le c…

Materials

2713 Loker Avenue West	Torrey pines scientific
AZ-50X	AZ Electronic Materials, Luxembourg
Chlorotrimethylsilane(TMCS) 92360-25mL	Sigma
CO2 Incubator HP151	Heal Force
Desktop Hole Puncher for PDMS chips WH-CF-14	Suzhou Wenhao Microfluidic Technology Co., Ltd.
DMEM(L-glutamine, High Glucose, henol Red)	Invitrogen
Electronic Balance UTP-313 Max:600g, e:0.1g, d:0.01g	Shanghai Hochoice Apparatus Manufacturer Co.,LTD.
FBS	Sigma
Fibronection 0.25 mg/mL	Millipore, Austria
Glutamax 100x	Gibco
Heating Incubator BGG-9240A	Shanghai bluepard instruments Co.,Ltd.
Nikon Model Eclipse Ti2-E	Nikon
Pen/Strep 10 Units/mL Penicillin 10 ug/mL Streptomycin	Invitrogen
Plasma cleaner PDC-002	Harrick Plasma
polydimethylsiloxane(PDMS)	Momentive
polylysine 0.01%	Sigma
Spin coater ARE-310	Awatori Rentaro
Spin coater TDZ5-WS	Cence
Spin coater WH-SC-01	Suzhou Wenhao Microfluidic Technology Co., Ltd.
SU-8 3025	MicroChem, Westborough, MA, USA
SU-8 3075	MicroChem, Westborough, MA, USA