Designing mikrofluid Enheter for å studere cellulære responser Under Singel eller andre sykdoms Kjemisk / Elektro / Shear Stress Stimuli
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
Microfluidic enhetene er i stand til å skape en nøyaktig og kontrollerbar cellulære mikromiljø pH, temperatur, saltkonsentrasjon, og andre fysiske eller kjemiske stimuli. De har vært vanlig benyttet for in vitro-cellestudier ved å tilveiebringe in vivo-som omgivelser. Spesielt hvordan cellene respons til kjemiske gradienter, elektriske felt, og skjærspenninger har trukket mange interesser siden disse fenomenene er viktig for å forstå mobilnettet egenskaper og funksjoner. Disse microfluidic brikker kan være laget av glass-substrater, silisiumskiver, polydimetylsiloksan (PDMS) polymerer, polymetylmetakrylat (PMMA) substrater eller polyetylentereftalat (PET) substrater. Ut av disse materialene, PMMA substrater er billig og lett kan behandles ved hjelp av laser ablasjon og skriving. Selv om noen få microfluidic enheter har blitt designet og fabrikkert for å generere flere, coexisting kjemiske og elektriske stimuli, ble ingen av dem anseseffektiv nok til å redusere eksperimentelle gjentar, spesielt for screening formål. I denne rapporten beskriver vi vår design og fabrikasjon av to PMMA-basert microfluidic chips for å undersøke cellulære responser, i produksjon av reaktive oksygenforbindelser og migrasjon under enkle eller coexisting kjemiske / elektriske / skjærspenning stimuli. Den første brikken genererer fem relative konsentrasjoner på 0, 1/8, 1/2, 7/8, og en i kultur regioner, sammen med en skjærspenning gradient produsert inne i hvert av disse områdene. Den andre brikken genererer de samme relative konsentrasjoner, men med fem forskjellige elektriske feltstyrker opprettet innenfor hver kultur område. Disse enhetene ikke bare gi celler med en presis, kontrollerbar mikro-miljø, men også øke den eksperimentelle gjennomstrømming.
Introduction
In vivo-celler er omgitt av en rekke av biomolekyler, inkludert ekstracellulære matriks (ECM), karbohydrater, lipider og andre celler. De functionalize ved å svare på mikro-miljø stimuli som interaksjoner med ECM og svar på kjemiske gradienter av ulike vekstfaktorer. Tradisjonelt er in vitro cellestudier utført i cellekulturskåler hvor forbruket av celler og reagenser er stor og cellene vokse i en statisk (ikke-sirkulerende) miljø. Nylig har mikro-fabrikkert enheter integrert med fluidkomponenter gitt en alternativ plattform for cellestudier i en mer kontrollerbar måte. Slike anordninger er i stand til å opprette en nøyaktig mikro-miljø av kjemiske og fysikalske stimuli, mens forbruket av celler og reagenser minimaliseres. Disse microfluidic brikker kan være laget av glass-substrater, silisiumskiver, polydimetylsiloksan (PDMS) polymerer, polymetylmetakrylat (PMMA) substrater, eller polyethylenetereftalat (PET) substrater 1-3. PDMS-baserte enheter er gjennomsiktige, biokompatible, og permeabel for gasser, noe som gjør dem egnet for langtids cellekulturer og studier. PMMA og PET underlag er billig og lett å bli behandlet ved hjelp av laser ablasjon og skriving.
Microfluidic anordninger bør gi celler med en stabil og kontrollerbar mikro-miljø, hvor cellene er utsatt for forskjellige kjemiske og fysikalske stimuli. For eksempel er microfluidic flis som brukes til å studere kjemotaksis av celler. I stedet for tradisjonelle metoder som benytter Boyden kammer og kapillær 4,5 disse miniatyriserte fluidic enheter kan generere nøyaktige kjemiske gradienter for å studere cellenes atferd 1,6,7. Et annet eksempel er å undersøke cellenes retnings migrasjon i henhold elektriske felter (EFS), et fenomen som heter electrotaxis. Electrotactic atferd av celler ble rapportert å være relatert til nerve regenerering 8, embryoutvikling 9,og sårtilheling 10,11. Og mange studier har blitt utført for å undersøke electrotaxis av ulike celletyper, inkludert kreftceller 12,13, lymfocytter 14,15, leukemiceller 11, og stamceller 16. Konvensjonelt, er petriskåler og dekkglass brukes til å konstruere electrotactic kamre for å generere EFs 17. Slike enkle oppsett utgjøre problemer med middels fordampning og upresise EFs, men de kan overvinnes ved microfluidic enheter av lukkede, veldefinerte fluidic kanaler 12,18,19.
Å systematisk studere cellulære responser i henhold til presise og kontrollerbare kjemiske og elektriske stimuli, vil det være av stor bruk for å utvikle microfluidic enheter i stand til å gi celler med flere stimuli samtidig. For eksempel Li et al. rapporterte en PDMS-baserte mikrofluidanordning for å lage én eller kjøl kjemiske gradienter og EFs 20. Kao et al. devrømte en lignende microfluidic chip å modulere kjemotaksis av lungekreftceller ved EFs 6. Dessuten, for å øke gjennomstrømningen, Hou et al. designet og fabrikkert en PMMA-baserte multikanal-dual-elektrisk felt chip for å gi celler med 8 forskjellige kombinerte stimuli, å være (2 EF styrker x 4 kjemiske konsentrasjoner) 21. For ytterligere å øke hele og legge skjærspenningen stimulans, utviklet vi to PMMA-baserte microfluidic enheter for å studere cellulære responser etter én eller kjøl kjemiske / elektriske / skjærspenning stimuli.
Rapportert av Lo et al. 22,23, disse enhetene inneholder fem uavhengige cellekultur kanaler hvor det hele tiden fluidic flytende, etterligne in vivo sirkulasjonssystemet. I den første chip (kjemisk-skjærspenning chip eller CSS chip), fem relative konsentrasjoner på 0, 1/8, 1/2, 7/8 og 1 er generert i kultur regioner, og en skjærspenning gradient er prosert inne i hver av de fem dyrkningsområdene. I den andre brikken (kjemisk-elektriske felt chip eller CEF chip), ved hjelp av en enkelt sett av elektroder og 2 sprøytepumper, blir fem EF styrke generert i tillegg til fem forskjellige kjemiske konsentrasjoner innenfor disse dyrkningsområdene. Numeriske beregninger og simuleringer utføres for å bedre utforming og drift av disse prosessorene, og lungekreftceller dyrket inne i disse enhetene er gjenstand for én eller andre sykdoms stimuli for å observere sine svar med hensyn til produksjon av reaktive oksygenarter (ROS), den migrasjonsrate, og migrering retning. Disse brikkene er vist å være tidsbesparende, høy gjennomstrømming og pålitelige systemer for å undersøke hvordan cellene reagerer på ulike mikro miljømessige stimuli.
Protocol
Representative Results
Discussion
PMMA-baserte chips er fabrikkert ved hjelp av laser ablasjon og skriving som er billigere og enklere metoder i forhold til PDMS-baserte brikker som krever mer komplisert myk litografi. Etter utforme en microfluidic chip, kan fabrikasjon og montasje gjøres i løpet av bare 5 min. Det er noen viktige skritt at oppmerksomheten bør rettes mot i å utføre eksperimentet. Den første er "montering" problemet. Adapterne skal limes skikkelig til øverste laget av chip. Lim kan lekke inn i fluidkanaler hvis for mye b…
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).
