シングルまたは共存化学/電気/せん断応力刺激下で細胞応答を研究するためのマイクロ流体デバイスを設計
Summary
Micro-fabricated devices integrated with fluidic components provide an in vitro platform for cell studies mimicking the in vivo micro-environment. We developed polymethylmethacrylate-based microfluidic chips for studying cellular responses under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli.
Abstract
マイクロ流体デバイスは、pH、温度、塩濃度、および他の物理的又は化学的刺激の正確で制御可能な細胞の微小環境を作り出すことが可能です。彼らは一般的に、周囲のように生体内で提供することにより、in vitro細胞研究のために使用されています。これらの現象は、細胞の性質や機能を理解する上で重要であるため、特に、細胞は化学勾配、電界、およびせん断応力に応じどのように多くの関心を集めています。これらのマイクロ流体チップは、ガラス基板、シリコンウエハ、ポリジメチルシロキサン（PDMS）ポリマー、ポリメチルメタクリレート（PMMA）基板、またはポリエチレンテレフタレート（PET）基板を用いることができます。これらの材料のうち、PMMA基板は安価であり、容易にレーザーアブレーション及び書き込みを使用して処理することができます。いくつかのマイクロ流体デバイスは、化学的および電気的な刺激を共存、複数の生成のために設計され、製作されてきたが、それらのどれもが考慮されませんでしたスクリーニング目的のために特に、実験の繰り返しを低減するのに十分な効率的。本稿では、単一または共存化学/電気/せん断応力刺激の下で、活性酸素種の産生および遊走に、細胞応答を調査するための2つのPMMAベースのマイクロ流体チップの私達の設計および製造を説明します。最初のチップが一緒に、これらの各領域内部に発生するせん断応力勾配で、文化領域に0、1/8、1/2、7/8、および1の5相対濃度を生成します。第2のチップは、同じ相対濃度が生成されますが、各培養領域内に作成された五つの異なる電界強度を持ちます。これらのデバイスは、正確な、制御可能な微小環境で細胞を提供するだけでなく、非常に実験的なスループットを向上させるだけではなく。
Introduction
インビボで細胞は細胞外マトリックス（ECM）、炭水化物、脂質、および他の細胞を含む生体分子の様々な囲まれています。彼らは、このような種々の成長因子の化学的勾配にECMとの相互作用および応答としてマイクロ環境刺激に応答することによって官能基化。伝統的には、 インビトロの細胞研究は、細胞および試薬の消費量が大きく、細胞は、静的（非循環）環境で増殖細胞培養皿で行われます。最近では、流体コンポーネントと統合微細加工デバイスは、より制御方法で細胞研究のための代替プラットフォームを提供してきました。このような装置は、細胞および試薬の消費を最小限に抑えながら、化学的および物理的刺激の正確な微小環境を作り出すことが可能です。これらのマイクロ流体チップは、ガラス基板、シリコンウエハ、ポリジメチルシロキサン（PDMS）ポリマー、ポリメチルメタクリレート（PMMA）基板、またはpolyethylenetereで作ることができますフタレート（PET）は、1-3基質。 PDMSベースのデバイスは、長期細胞培養および研究に適してい、透明な生体適合性、およびガスに対して透過性です。 PMMA及びPET基板が安いとレーザーアブレーションと書き込みを使用して処理することが容易です。
マイクロ流体デバイスは、細胞が異なる化学的および物理的な刺激を受けやすい安定して制御可能な微小環境で細胞を提供する必要があります。例えば、マイクロ流体チップは、細胞の走化性を研究するために使用されます。代わりに、Boydenチャンバー及びキャピラリー4,5を採用する伝統的な方法でこれらの小型化流体デバイスは、細胞の行動1,6,7を研究するための正確な化学的勾配を生成することができます。別の例は、電界（EFS）の下のセルの方向性のある移動、走電性という名前の現象を研究することです。細胞のElectrotactic行動は、神経再生8、胚発生9に関連していることが報告されましたそして、10,11創傷治癒。そして、多くの研究は、癌細胞12,13を含む様々な細胞型の走電性を調査するために行われた、14,15リンパ球、白血病細胞11、及びセル16を生じます。従来から、ペトリ皿とカバーガラスは、排出係数17を生成するためelectrotacticチャンバを構築するために使用されます。このような簡単なセットアップは、媒体の蒸発と不正確な排出係数の問題を提起するが、彼 らは囲まれた、明確に定義された流体チャネル12,18,19のマイクロ流体デバイスによって克服することができます。
体系的に正確な、制御可能な化学的および電気刺激下で細胞応答を研究するために、同時に複数の刺激を細胞に提供することができるマイクロ流体デバイスを開発するために非常に有用であろう。例えば、リーら 。単一または共存する化学勾配とのEF 20を作成するための PDMSベースのマイクロ流体デバイスを報告しました。花王ら 。 devのEF 6により肺癌細胞の走化性を調節するための同様のマイクロ流体チップを駆け落ち。また、スループット、侯らを増加させます。設計及び（2 EF強×4化学物質濃度）であり、8つの異なる複合刺激を細胞に提供するために、PMMAベースのマルチチャネルデュアル電界チップを作製した21。さらに全体で増加し、せん断応力刺激を追加するために、我々は、単一または共存化学/電気/せん断ストレス刺激下で細胞応答を研究するための2つのPMMAベースのマイクロ流体デバイスを開発しました。
ローら 22,23により報告され、これらのデバイスは、インビボ循環系を模倣する連続的な流体流動を受ける5つの独立した細胞培養チャネルを含みます。第1チップ（化学せん断応力チップまたはCSSチップ）、5相対0の濃度は、1/8、1/2、7/8、および1培養領域において生成され、せん断応力勾配があるれていますprodu5文化領域のそれぞれの内部をced。第2のチップ（化学電界チップまたはCEFチップ）において、電極2シリンジポンプの単一のセットを使用して、5 EF強度は、これらの培養領域に5つの異なる化学物質の濃度に加えて生成されます。数値計算とシミュレーションは、より良好な設計を行い、これらのチップを動作し、これらのデバイスの内部に培養肺癌細胞は、活性酸素種（ROS）の産生に対するそれらの応答を観察するための移動速度単一または共存刺激の対象とされていますそして、移動方向。これらのチップは、時間を節約する細胞は、種々の微小環境刺激に応答する方法を調査するため、高スループットと信頼性の高いデバイスであることが実証されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
PMMAベースのチップは、より複雑なソフトリソグラフィを必要とするPDMSベースのチップに比べて安価かつ容易な方法であるレーザーアブレーションと書き込みを使用して製造されます。マイクロ流体チップを設計した後、製造および組立はわずか5分以内に行うことができます。注意が実験を行う際にに支払われるべきであることを、いくつかの重要なステップがあります。最初は「組み立て…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was financially supported by the Ministry of Science and Technology of Taiwan under Contract No. MOST 104-2311-B-002-026 (K. Y. Lo), No. MOST 104-2112-M-030-002 (Y. S. Sun), and National Taiwan University Career Development Project (103R7888) (K. Y. Lo). The authors also thank the Center for Emerging Material and Advanced Devices, National Taiwan University, for the use of the cell culture room.
Materials
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Gibco | 11965-092 | Cell culture medium |
| Trypsin | Gibco | 25300-054 | detach cell from the dish |
| Fetal bovine serum (FBS) | Gibco | 10082147 | Cell culture medium |
| 10-cm cell culture Petri dish | Nunc | 150350 | Cell culture |
| Bright-Line Hemacytometer | Sigma | Z359629 | Cell Counting Equipment |
| PMMA | Customized | Customized | Microfluidic chip |
| Adaptor | Customized | Customized | Microfluidic chip |
| 0.07/0.22 mm double-sided tape | 3M | 8018/9088 | Microfluidic chip |
| Low melting point agarose | Sigma | A9414 | Salt bridge |
| 2'-7'-dichlorodihydrofluoresce diacetate | Sigma | D6883 | Intracellular ROS measurement |
| Indium tin oxide (ITO) glass | Merck | 300739 | Heater |
| Proportional-integral-derivative controller | JETEC Electronics Co. | TTM-J4-R-AB | Temperature controller |
| Thermal coupler | TECPEL | TPK-02A | Temperature controller |
| CO2 laser scriber | Laser Tools & Technics Corp. | ILS2 | Microfluidic chip fabrication |
| Syringe pumps | New Era | NE-300 | Pumping medium and chemicals into the chip |
| Power supply | Major Science | MP-300V | Supplying direct currents |
| Inverted microscope | Olympus | CKX41 | Monitoring cell migration |
| Inverted fluorescent microscope | Nikon | TS-100 | Monitoring cell migartion and fluorescencent signals |
| DSLR camera | Canon | 60D | Recording bright-field images |
| CCD camera | Nikon | DS-Qi1 | Recording fluorescent images |
| super glue | 3M Scotch | 7004 | Attaching adaptors to PMMA substrates |
| AutoCAD | Autodesk Inc. | Designing microfluidic chips | |
| DMSO | Sigma | D8418 | Dissolving DCFDA |
| ImgeJ | National Institutes of Health | Quantifying fluorescent intensities and cell migration |
References
- Cheng, J. Y., Yen, M. H., Kuo, C. T., Young, T. H. A transparent cell-culture microchamber with a variably controlled concentration gradient generator and flow field rectifier. Biomicrofluidics. 2, (2008).
- Terry, S. C., Jerman, J. H., Angell, J. B. Gas-Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon-Wafer. Ieee T Electron Dev. 26, 1880-1886 (1979).
- Whitesides, G. M., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. E. Soft lithography in biology and biochemistry. Annu Rev Biomed Eng. 3, 335-373 (2001).
- Adler, J. Chemoreceptors in bacteria. Science. 166, 1588-1597 (1969).
- Boyden, S. The chemotactic effect of mixtures of antibody and antigen on polymorphonuclear leucocytes. J Exp Med. 115, 453-466 (1962).
- Kao, Y. C., et al. Modulating chemotaxis of lung cancer cells by using electric fields in a microfluidic device. Biomicrofluidics. 8, 024107 (2014).
- Walker, G. M., et al. Effects of flow and diffusion on chemotaxis studies in a microfabricated gradient generator. Lab Chip. 5, 611-618 (2005).
- Al-Majed, A. A., Neumann, C. M., Brushart, T. M., Gordon, T. Brief electrical stimulation promotes the speed and accuracy of motor axonal regeneration. J Neurosci. 20, 2602-2608 (2000).
- Nuccitelli, R. Endogenous electric fields in embryos during development, regeneration and wound healing. Radiat Prot Dosim. 106, 375-383 (2003).
- McCaig, C. D., Rajnicek, A. M., Song, B., Zhao, M. Controlling cell behavior electrically: Current views and future potential. Physiol Rev. 85, 943-978 (2005).
- Tai, G., Reid, B., Cao, L., Zhao, M. Electrotaxis and wound healing: experimental methods to study electric fields as a directional signal for cell migration. Methods Mol Biol. 571, 77-97 (2009).
- Huang, C. W., Cheng, J. Y., Yen, M. H., Young, T. H. Electrotaxis of lung cancer cells in a multiple-electric-field chip. Biosens Bioelectron. 24, 3510-3516 (2009).
- Yan, X. L., et al. Lung Cancer A549 Cells Migrate Directionally in DC Electric Fields With Polarized and Activated EGFRs. Bioelectromagnetics. 30, 29-35 (2009).
- Li, J., et al. Activated T lymphocytes migrate toward the cathode of DC electric fields in microfluidic devices. Lab Chip. 11, 1298-1304 (2011).
- Lin, F., et al. Lymphocyte electrotaxis in vitro and in vivo. J Immunol. 181, 2465-2471 (2008).
- Zhang, J., et al. Electrically Guiding Migration of Human Induced Pluripotent Stem Cells. Stem Cell Rev. , (2011).
- Song, B., et al. Application of direct current electric fields to cells and tissues in vitro and modulation of wound electric field in vivo. Nat Protoc. 2, 1479-1489 (2007).
- Sun, Y. S., Peng, S. W., Cheng, J. Y. In vitro electrical-stimulated wound-healing chip for studying electric field-assisted wound-healing process. Biomicrofluidics. 6, 34117 (2012).
- Sun, Y. S., Peng, S. W., Lin, K. H., Cheng, J. Y. Electrotaxis of lung cancer cells in ordered three-dimensional scaffolds. Biomicrofluidics. 6, (2012).
- Li, J., Zhu, L., Zhang, M., Lin, F. Microfluidic device for studying cell migration in single or co-existing chemical gradients and electric fields. Biomicrofluidics. 6, 24121-2412113 (2012).
- Hou, H. S., Tsai, H. F., Chiu, H. T., Cheng, J. Y. Simultaneous chemical and electrical stimulation on lung cancer cells using a multichannel-dual-electric-field chip. Biomicrofluidics. 8, 052007 (2014).
- Lo, K. Y., Wu, S. Y., Sun, Y. S. A microfluidic device for studying the production of reactive oxygen species and the migration in lung cancer cells under single or coexisting chemical/electrical stimulation. Microfluid Nanofluidics. 20, 15 (2016).
- Lo, K. Y., Zhu, Y., Tsai, H. F., Sun, Y. S. Effects of shear stresses and antioxidant concentrations on the production of reactive oxygen species in lung cancer cells. Biomicrofluidics. 7, 64108 (2013).
- Cheng, J. Y., Wei, C. W., Hsu, K. H., Young, T. H. Direct-write laser micromachining and universal surface modification of PMMA for device development. Sensor Actuat B-Chem. 99, 186-196 (2004).
- Chen, J. J. W., et al. Global analysis of gene expression in invasion by a lung cancer model. Cancer Res. 61, 5223-5230 (2001).
- Shih, J. Y., et al. Collapsin response mediator protein-1 and the invasion and metastasis of cancer cells. J Natl Cancer I. 93, 1392-1400 (2001).
- Lu, H., et al. Microfluidic shear devices for quantitative analysis of cell adhesion. Anal Chem. 76, 5257-5264 (2004).
- Fried, L. E., Arbiser, J. L. Honokiol, a Multifunctional Antiangiogenic and Antitumor Agent. Antioxid Redox Sign. 11, 1139-1148 (2009).
- Chisti, Y. Hydrodynamic damage to animal cells. Crit Rev Biotechnol. 21, 67-110 (2001).
- Davies, P. F., Remuzzi, A., Gordon, E. J., Dewey, C. F., Gimbrone, M. A. Turbulent fluid shear stress induces vascular endothelial cell turnover in vitro. Proc Natl Acad Sci U S A. 83, 2114-2117 (1986).
- Zoro, B. J., Owen, S., Drake, R. A., Hoare, M. The impact of process stress on suspended anchorage-dependent mammalian cells as an indicator of likely challenges for regenerative medicines. Biotechnol Bioeng. 99, 468-474 (2008).
- Chin, L. K., et al. Production of reactive oxygen species in endothelial cells under different pulsatile shear stresses and glucose concentrations. Lab Chip. 11, 1856-1863 (2011).
- Tsai, H. F., Peng, S. W., Wu, C. Y., Chang, H. F., Cheng, J. Y. Electrotaxis of oral squamous cell carcinoma cells in a multiple-electric-field chip with uniform flow field. Biomicrofluidics. 6, 34116 (2012).
