Die Arbeit wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde, GO-Bio Grant No 0.315.569.

HINWEIS: Human Jugend Vorhaut wurde mit Einwilligung nach Aufklärung und Ethik-Zulassung (Ethic Ausschuss Charité Universitätsmedizin, Berlin, Deutschland), in Übereinstimmung mit den einschlägigen Gesetzen, von einem Kinderchirurgie nach Routine-Beschneidung. 1. Herstellung von Gewebeäquivalenten zum Anbau in der MOC <ol><li> Aggregieren HepaRG und HHSteC in hängenden Tropfen Platten zu Leber Sphäroiden zu generieren. <ol><li> Um die Trypsinisierung von HepaRG Zellen in Zellkulturflaschen gewachsen zu erreichen (75 cm 2), entfernen Sie das Medium von konfluenten, differenziert Monolayer-Kulturen, waschen mit PBS zweimal, und 3 ml 0,05% Trypsin / EDTA. Inkubieren für 3 bis 5 min bei 37 ° C und stoppt die Reaktion durch Zugabe von 6 ml Trypsininhibitor. </li><li> Centrifuge HepaRG Zellen bei 150 xg für 5 min, zu entfernen Überstand, Zellpellet in 1 ml HepaRG Zellkulturmedium, und zählen Zellen. Die Lebensfähigkeit der Zellen sollte&gt; 90% sein. </li><li> InUm die Trypsinisierung von HHSteC Zellen zu erreichen, entfernen Sie das Medium von Monolayer-Kulturen, waschen mit PBS zweimal, und 3 ml 0,05% Trypsin / EDTA. Inkubation für 5 min bei 37 ° C und stoppt die Reaktion durch Zugabe von 6 ml Trypsininhibitor. </li><li> Zentrifugieren Sie die HHSteC Zellen bei 150 xg für 5 min, zu entfernen Überstand, Zellpellet in 1 ml HepaRG Zellkulturmedium, und zählen Zellen. </li><li> Kombinieren HepaRG und HHSteC in einem Verhältnis von 24: 1 in HepaRG Zellkulturmedium. Um dies zu tun, stellen Sie die Zellzahlen durch Verdünnen Zellsuspensionen in HepaRG Zellkulturmedium und fügen Sie 1 x 10 5 Zellen / ml HHSteC bis 4,8 x 10 6 Zellen / ml HepaRG Zellen. Vorsichtig mischen. </li><li> Bereiten Sie eine Fallplatte hängen durch Zugabe von 2 ml PBS zu dem hängenden Tropfen und Aufnahmeplatte. </li><li> Je 20 ul der Zellsuspension in jede Vertiefung der Hängetropfenplatte. Immer bereiten rund 10% mehr hängende Tropfen, als Sie brauchen, um Aggregate zu holen, da einige Aggregate duri verlorenng den Vorgang. Die Platte vorsichtig in einem 37 ° C Inkubator. Warten 48 h für die Sphäroide zu bilden. </li><li> Um die Sphäroiden abrufen, lesen Pipettenspitzen mit breiten Spitze Endungen verwenden oder schneiden die Spitzen der 1 ml Pipettenspitzen mit einem sterilen Messer, um die Öffnung auf etwa 2 bis 3 mm zu erweitern. Verwenden Sie diese Pipettenspitzen, um die Kügelchen ohne Unterbrechung mit ihnen umgehen. </li><li> Abwaschen Sphäroide vorsichtig von der Hängetropfenplatte durch wiederholtes Hinzufügen von 1 ml Medium auf die Oberseite der Vertiefungen des hängenden Tropfens Platte unter Verwendung einer Pipette. Waschen Sie die Platte, bis alle Sphäroiden abgefallen. Sphäroide sind etwas scheibenförmig mit einem mittleren Durchmesser von 300 bis 400 &amp; mgr; m und einer Höhe von 200 bis 300 um an dieser Stelle. </li><li> Sammeln Sie die Kügelchen in der Aufnahmeplatte und übertragen Sie sie auf 24-Well-Ultra-Low-Befestigungsplatten mit maximal 20 Kügelchen pro Vertiefung mit den vorbereiteten Pipettenspitzen. Stellen Sie die Medienvolumen in jede Vertiefung 0,5 ml. Verwenden Sie 20 Aggregate inoculate eine MOC Schaltung, eine Miniaturisierung Rate von 1 / 100.000 in Bezug auf in vivo Zellzahlen zu erhalten. </li><li> Die Sphäroide bei 37 ° C und 5% CO 2 bis zur weiteren Verwendung in der MOC. Länger als drei Tage vor der Verwendung nicht lagern die Sphäroide, um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Pflegen Sie die Aggregate für mindestens einen Tag im Ultra-Low-Befestigungsplatten, die homogene Sphäroiden abzurufen. </li></ol></li><li> Verfolgen Sie eine von zwei Ansätzen zur Hautgewebe Äquivalente zu erwirtschaften: die Verwendung von Stanzbiopsien (1.2.1) oder die Verwendung von fertigen in vitro Gewebemodelle (1.3.1). <ol><li> Schneiden Transwells mit einer Glühlampe Messer unter dem Bügel zu 96-Well-Zellkulturplatten und Speicher unter sterilen Bedingungen bis zur weiteren Verwendung vor. </li><li> Sterilisieren Vorhaut Proben in 80% Ethanol für 30 Sekunden und schneiden Sie den Ring offen. Proben sollten eine mittlere Höhe von 2 mm aufweisen. </li><li> Verwenden Sie eine Biopsie Schlag in Biopsien von 4,5 mm Durchmesser geschnitten, um eine gleiche miniaturiza erhaltention-Verhältnis sowohl für Leber und Haut. Laden Sie die Biopsien in die vorbereitete 96-Loch-Transwell mit einer Pinzette fügt. Achten Sie darauf, die Biopsien mit der epidermalen Seite nach oben zu positionieren. </li><li> Platz Zellkultur-Einsätze mit Biopsien in einer Aufnahmeplatte, die HepaRG Zellkulturmedium und speichern bei 37 ° C und 5% CO 2 bis zur weiteren Verwendung im MOC. Speichern Sie keine Proben, die länger als 2 bis 3 Std. </li></ol></li><li> Integrieren Sie fertige In-vitro-Hautmodelle, von verschiedenen Anbietern gekauft, in das MOC, um sicherzustellen, dass sie in 96-Well Transwell-Format sind. Verwenden der durch den Hersteller oder, wenn eine Co-Kultur mit einem anderen Gewebe wird in einem weiteren Schritt vorgesehen ist, mit einem Minimalmedium Abstützen beider Gewebe geliefert Zellkulturmedium. Testen Sie die jeweiligen Minimalmedium in vor statischen Experimenten für seine Fähigkeit, das Gewebe zu unterstützen. <ol><li> Abrufen Hautmodelle aus der Halteplatte und schneiden Sie die 96-Loch-Einsätze unterhalb der Halterung mit einer Glühlampe Messer. </li&gt; <li> Setzen Sie die Einsätze in die Aufnahmeplatte und Speicher bei 37 ° C und 5% CO 2 bis zur weiteren Verwendung im MOC. Speichern Sie keine Proben, die länger als einen Tag. </li></ol></li></ol> 2. MOC Fabrication <ol><li> Mischen der PDMS und Härter in einem Verhältnis von 10: 1 (v / v) und gebe die Mischung unter Vakuum für 15 min, um Luftblasen zu entfernen. </li><li> Inzwischen Behandlung einer Polycarbonat-Platte mit der Siliziumkautschukadditiv bei 80 ° C für 20 min. </li><li> Legen Teflon Schrauben in entsprechende Löcher der Deckplatte, die vier PDMS freien Zellkulturfächer und die sechs PDMS Membranen, 500 um dicker der Mikropumpe zu schaffen,. </li><li> Stecken Sie das vorbereitet Deckplatte mit dem Master-Form der beiden mikrovaskuläre Schaltungen und injizieren die entgaste PDMS. Darauf achten, dass Luftblasen in das System zu integrieren. Wenn Blasen entstehen, versuchen, sie durch Kippen des Geräts entfernen. </li><li> Inkubieren des Systems bei 80 ° C für 60 min, um die PDMS-Schicht auszuhärten. </li><li> Entfernen Sie die Mutterform und die Teflon-Schrauben aus dem Gerät und verbinden Sie die PDMS-Schicht auf einem Glasobjektträger mit einem 75 x 25 mm 2-Bilanz mit Niederdruck-Plasmaoxidations. </li><li> Schrauben Spezialgewinde MOC Adapter an allen vier Zellkulturabteile der Deckplatte. </li><li> Schließen Sie Spritzen mit Kulturmedium zu Luer x ¼-28 männlich Adapter und schrauben Sie sie auf die MOC-Adaptern der Deckplatte. </li><li> Spritzen Sie das Medium in den mikrofluidischen Kreis, indem Sie wiederholt nach unten schieben und ziehen Sie die Spritzen Kolben. </li><li> Überprüfen Sie die korrekte Befüllung der Kanäle mit Medium unter dem Mikroskop. </li></ol> 3. Endothelialisierung des MOC <ol><li> Vor der MOC, spülen jedes MOC Kreis mit endothelialen Zellwachstumsmedium endothelializing und inkubieren sie statisch für drei Tage bei 37 ° C und 5% CO 2. <ol><li> Sterilisieren Sie die MOCs mit einem Ethanol abwischen und sie unter einer Sterilbank. Ichn Zusätzlich zu sterilisieren zwei Paar Zangen und zwei Sechskantschlüssel für die weitere Verwendung. </li><li> Lösen Sie die Kappen der Gewebekulturraum des MOC mit den Sechskantschlüssel und entfernen Sie die Kappen mit der Pinzette. Nach dem Einlegen der Medium, Verschlüsse wieder auf den MOCs auf die gleiche Weise. </li></ol></li><li> Um die Trypsinisierung von humanen dermalen mikrovaskulären Endothelzellen (HDMEC) zu erzielen, entfernen Sie das Medium aus den Monolayer-Kulturen, waschen mit PBS zweimal, und 3 ml 0,05% Trypsin / EDTA. Inkubation für 5 min bei 37 ° C und stoppt die Reaktion durch Zugabe von 6 ml Trypsininhibitor. </li><li> Zentrifugieren Sie die HDMEC bei 220 xg für 5 min, zu entfernen Überstand, Zellpellet in 1 ml der endothelialen Zellwachstumsmedium und Zellen zu zählen. Die Lebensfähigkeit der Zellen sollte&gt; 90% sein. </li><li> Stellen Sie die Zellzahl in der Zellsuspension bis zu einer Endkonzentration von 2 x 10 7 Zellen / ml von mit Endothelzellen-Wachstumsmedium verdünnt wird und übertragen 250 ul esEine 1 ml-Spritze. Anwenden dieses Konzentration der Zellen an die MOC, die Miniaturisierung von 1 / 100.000 für alle Organe zu halten. </li><li> Verbinden Sie die Spritze mit einem Luer x ¼-28 Stecker-Adapter, vertreiben die Luft aus dieser Armatur, und schrauben Sie ihn in eine spezielle Gewinde MOC-Adapter. Schließen Sie den Adapter an eine der beiden Kammern jedes MOC Kreis. </li><li> Schließen Sie eine leere Spritze auf die gleiche Weise zu der zweiten Kammer des MOC Kreis. </li><li> Injizieren Sie die Zellen gleichmäßig nach unten drücken und nach oben ziehen die beiden Spritzenkolben mehrmals in einer fortlaufenden Weise. Steuern Sie die Infusion von Zellen unter dem Mikroskop. </li><li> Inkubieren MOC bei 37 ° C und 5% CO 2 unter statischen Bedingungen für 3 Stunden, damit sich die Zellen an den Kanalwänden zu haften. </li><li> Entfernen Sie den Chip aus dem Inkubator, legen Sie sie unter einem Laminar-Flow-Bank, und ersetzen Sie die Spritzen und die MOC-Adapter mit Spezialgewinde MOC Zellkulturräume. </li><li> Fügen Sie 400 ul frisches Medium mit einem comAbteilung jedes MOC Kreis und lassen Sie es bündig durch die Kanäle durch hydrostatischen Druck. Danach ersetzen Sie das Medium in beiden Fächern mit 300 ul frisches Medium. </li><li> Schließen Sie die Fächer mit Kappen, wie in 3.1.2 beschrieben. </li><li> Schließen Sie den Chip an die Pumpensteuerung. Passen die Pumpgeschwindigkeit auf eine Frequenz von 0.475 Hz und pflegen den Chip bei 37 ° C und 5% CO 2. </li><li> Ersetzen Sie das Medium jedes MOC Fach alle ein bis zwei Tage und Überwachung der Zellmorphologie durch Lichtmikroskopie. </li></ol> 4. Laden des Chip- <ol><li> Stellen Sie das MOC unter der Sterilbank und öffnen Sie sie, wie in Schritt 3.1.2 beschrieben. </li><li> Entfernen Sie die Medien aus den Zellkulturräumen und ersetzen Sie es mit 300 ml frisches HepaRG Zellkulturmedium. </li><li> Übertragen Sie 20 vorgeformten Kügelchen auf eine Gewebekulturraum jedes MOC Schaltung mit den Pipettenspitzen mit einer breiten Öffnung (siehe Schritte 1.1.8 / 9). Schließen Sie die cap mit einer Pinzette und Sechskantschlüssel. </li><li> Transfer 96-well Zellkultureinsätze, die Hautäquivalente mit dem übrigen Zellkulturraum jedes MOC Schaltung mit einer Pinzette. Kümmern zu Blasenbildung unter der Membran des Hautäquivalents vermeiden. Um dies zu tun, legen Transwells an einer leicht geneigten Winkel und sanft nach unten drücken. Entfernen überschüssigen Mediums um die Transwell wird von unten mit einer Pipette eingeschoben. </li><li> Schließen Sie den Deckel mit einer Pinzette und Sechskantschlüssel. </li></ol> 5. Anschluss des Chip an die Pumpensteuerung <ol><li> Stellen Sie die Betriebsparameter in den Steuergeräten für die Werte erwünscht. Ändern Luftdruck von 0 bis 8000 mbar, Vakuum von 0 bis -800 mbar und Pumpfrequenz von 0,24 bis 2,4 Hz. Stellen Sie die Pumprichtung nach rechts oder links. </li><li> Die MOC enthält Gewebeäquivalenten entfernen unter der Sterilbank und an die Pumpensteuergeräte. </li><li> Im Anschluss an die numeratIonen auf den Rohren, legen Sie Luftdruckschläuche an die entsprechenden Armaturen auf der MOC. </li><li> Pflegen Sie die MOC bei 37 ° C und 5% CO 2 im Brutschrank oder, im Falle von lebendem Gewebe-Bildgebung, mit dem MOC Support, um den Chip auf 37 ° C erwärmen und zu pflegen den Chip außerhalb des Inkubators. Verwenden Sie den erwärmten Träger, um Zellen im MOC unter einem Standardmikroskop zu kultivieren. </li></ol> 6. Darstellende Medien Börsen, Sampling Medien und Exposition gegenüber Stoffen <ol><li> Eine regelmäßige Austausch von Medien jeden Tag oder jeden zweiten Tag, unter Berücksichtigung der Art der Gewebekultur und die metabolische Aktivität der Zellen. <ol><li> Rufen Sie die MOC aus dem Inkubator und unter dem Mikroskop, um Medien Durchflussraten zu steuern und auf Kontamination zu beobachten ist. </li><li> Trennen Sie das MOC von der Pumpensteuereinheit, indem Sie das Luftdruckschlauch. Sterilisieren Sie die MOC mit Ethanol Tücher und setzt es unter der Sterilbank. </li><li> Öffnen Sie die Gewebekultur-Datei herunterladenartment enthaltend die Leber Sphäroide wie in Schritt 3.1.2 beschrieben. </li><li> Entfernen Sie bis zu 200 &amp; mgr; l aus dem Fach mit einer Pipette ohne Unterbrechung der Sphäroide und speichern Sie das Medium in eine leere Vertiefung einer Deepwell-Platte. Analysieren Sie den Medien Probe direkt oder schließen Sie die Deepwell-Platte und die Medien Proben bei -80 ° C für weitere Analysen zu speichern. </li><li> Ersetzen Sie das Medium des MOC mit bis zu 250 &amp; mgr; l frisches Zellkulturmedium und schließen Sie den Deckel. Der Unterschied in der Menge des Mediums entfernt und ersetzt Konten für den Verlust aufgrund von geringen Mengen Austreten des Chips beim Schließen des Systems. </li><li> Öffnen Sie den Deckel des Zellkulturraum halten die Hautäquivalente an dieser Stelle für die Gewebe Unversehrtheit zu überprüfen. Darauf achten, dass Luftblasen in das System einzuführen. Schließen Sie den Deckel. </li><li> Den Schlauch der Pumpe Steuereinheit mit der MOC, gemäß Schritt 5.3, und legen Sie das MOC in einem Inkubator. </li></ol></li></ol> 7. Analysieren Tägliche Medien Proben und Führen On-line-Analyse <ol><li> Analysieren Gewebekulturleistung online mit Live Cell Imaging oder offline, durch die Analyse der täglichen Medienproben. Führen Sie diesen durch Standardroutine enzymatische Tests (zB Laktat-Dehydrogenase (LDH) Aktivität) oder ELISA (zB Albumin-Konzentration). Ein Online-Analyse im Folgenden beschrieben. </li><li> Entfernen Sie die Medien des endothelialisiert MOC, wie in den Schritten 6.1.1 bis 6.1.4 beschrieben, und ersetzen Sie es in beiden Gewebekulturfächer mit 200 ul 10 ug / ml Fluorophor konjugiert acetyliert Low-Density Lipoprotein (LDL) Lösung (in verdünnter Zellkulturmedien). </li><li> Schließen Sie die Kappen. Schließen Sie das MOC in die Pumpensteuerung gemäß Schritt 5.3 und pumpen es für 30 Minuten bei 0.475 Hz, um die Lösung gleichmäßig in der mikrofluidischen Kreis zu verteilen. </li><li> Stoppen Sie die Pumpen und inkubieren Sie die MOC statisch 3,5 Stunden lang bei 37 ° C und 5% CO 2. </li><li> Ähnliche to Schritt 7.2, entfernen Sie das acetylierte LDL-Lösung aus beiden Fächern und ersetzen Sie es mit 400 ul frisches Medium in einer der beiden Kammern. </li><li> Warten Sie 3 bis 5 Minuten, um den hydrostatischen Druck fahren des Mediums durch den mikrofluidischen Kanal Stromkreise an. </li><li> Ersetzen Sie das Medium, das durch die mit 300 ul frisches Medium durchströmt hat und auch die zweite Gewebekulturraum zu füllen mit 300 ul frisches Medium. </li><li> Schließen Sie das MOC, gemäß Schritt 3.1.2. Legen Sie es unter einem Fluoreszenzmikroskop und beobachten das Zellwachstum und die Lebensfähigkeit. </li><li> Setzen Sie den Bunt MOC zurück in den Inkubator zu Anbau weiter. Entfernen Sie den Fleck aus den Zellen austritt mit jeder folgenden Medienwechsel. </li></ol> 8. Rufen Gewebeäquivalenten aus dem MOC und Führen Endpunktanalysen <ol><li> Abrufen Gewebeäquivalente aus dem MOC am Ende des Experiments für die Endpunktanalysen. <ol><li> Um die Leber und Haut e Abrufenquivalents von der MOC, entfernen Sie die Medien aus jeder Gewebekulturraum, wie in den Schritten 6.1.1 bis 6.1.4 beschrieben. </li><li> Entfernen Sie die 96-Loch-Zellkultur-Einsätzen die Haut vor der MOC mit einer Pinzette enthält. Ziehen Sie die Membran vorsichtig vom Einsatz durch Greif es auf der einen Seite mit einer Pinzette und ziehen Sie es auf. Darauf achten, dass das Hautäquivalent an dieser Stelle zu verlieren. </li><li> Frieren Sie die Membran hält die Hautäquivalents in Kryo-Einbettmasse und bewahren Sie sie bei -80 ° C bis zur weiteren Analyse. </li></ol></li><li> Entfernen Sie die Leberäquivalente in ähnlicher Weise aus Gewebekulturraum durch Pipettieren sie mit geschnittenen Pipettenspitzen (siehe Schritt 1.1.8 / 9). <ol><li> Betten Sie die Leber Sphäroiden in Kryo-Einbettmasse. Achten Sie darauf, nicht zu viel Flüssigkeit zu übertragen und überschüssige Flüssigkeit mit einer Pipette zu entfernen. Nachdem Sie die Sphäroiden auf die Einbettmasse und Entfernen des Mediums, fügen Sie weitere Kryo-Verbindung auf die Oberseite der Sphäroide vollständig umschließt sie. </li><li> Frieren Sie die Leberäquivalente und bewahren Sie sie bei -80 ° C bis zur weiteren Analyse. </li></ol></li><li> Führen Endpunktanalyse, indem die Gewebeäquivalenten in einer Kryo-Mikrotom bis 8 um Abschnitte und Färbung für gewebespezifische Marker, wie in den vorangegangenen Protokolle 10 beschrieben. </li></ol>

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Uwe Marx ist Geschäftsführer der TissUse GmbH, die produziert und vertreibt die Multi-Organ-Chip-Plattform in dem Artikel verwendet. Diese Publikation wurde von einem preis von Corning Inc. gewährt finanziert

Die hier beschriebene MOC-Plattform stellt ein stabiles und leistungsfähiges Werkzeug für den Anbau von Geweben unterschiedlicher Herkunft bei dynamischen Mediumströmungsbedingungen über längere Zeiträume Kultur 10,16. In diesem Beispiel wurde die Plattform verwendet, um primäre Zellen (HDMEC), Gewebeäquivalente aus einer Zelllinie erzeugt (Leber Aggregate) und eine Co-Kultur des vorgenannten mit einer Gewebebiopsie zu kultivieren. Das MOC konnte die drei Teil Kokultur für bis zu 28 Tage in einem kombinierten Mittelkreislauf aufrecht zu erhalten. Nach bestem Wissen der Autoren ist dies das erste Mal, ein Multi-Gewebe Kokultur einschließlich Biopsien, primären Zellen und Zelllinien wurde über vier Wochen durchgeführt. Einer der größten Nachteile von mikrofluidischen Systemen ist die Affinität von kleinen Molekülen auf dem Oberflächenmaterial des fluidischen Schaltung haften. Da das Verhältnis Oberfläche zu Volumen insbesondere in mikrofluidischen Systemen hoch ist, wird dieser Effekt noch deutlicher 17 </sup&gt;. Die stabile HDMEC Deckung der Kanäle, hier eingeführt wird, könnte als eine biologische Barriere, die das Anhaften von Molekülen an die MOC handeln. Ferner kann es als hemokompatible Gefäß für ganze Blutzirkulation dienen und verhindern die Blutgerinnung. Jedoch ist die Verwendung von Vollblut als Medium Substitution nicht durchführbar als eine vollständige Vaskularisierung der Organäquivalente ist noch nicht erreicht worden. Bestehende Arbeiten an der Gefäßversorgung von in vitro -generated Gewebe ist viel versprechend und weist den Weg für weitere Studien 18,19. Es ist wohlbekannt, dass Hepatozyten neigen, ihre Leber-spezifische Funktionen über die Zeit unter statischen zweidimensionalen in-vitro-Kulturbedingungen 20 verlieren. Metabolisierenden Enzymen, wie das Cytochrom P450-Familie, sind von besonderer Bedeutung, wenn der Stoffwechsel einer bestimmten Medikament untersucht werden soll. Cytochrom P450 3A4, ein Enzym, das an der Biotransformation von vielen Fremdstoffen verwandt und Cytochrom-P450-7A, which in Gallensäuresynthese im MOC kultiviert über 14 Tage beteiligt sind, wurden in Leber exprimiert Aggregate. Dies weist auf die Erhaltung einer metabolisch aktiven Phänotyp, so dass für Studien zur Metabolisierung. Die erhöhte Albuminproduktion von Aggregaten in der MOC im Vergleich zu statischen Kulturen ist ein weiteres Indiz für eine ausreichende Kulturbedingungen. Die während dieser Studie beobachtet Albuminproduktionsraten waren vergleichbar oder sogar höher als von mikrofluidischen Chips, einschließlich HepG2 Zellen 21 erhalten zuvor berichteten Werten - 23, jedoch Werte erreichte nicht diejenigen von primären humanen Hepatozyten 24. Weiterhin MOC System in seiner temporären Layout nicht für eine separate Segregation von Gallen ermöglichen. Zellen in den Aggregat polarisiert und ausgebildet Gallenkanälchen artige Strukturen, wie von MRP-2-Färbung dargestellt. Allerdings wurden diese Kanälchen nicht zu einem technischen Kanal Sammeln der Galle verbunden. Diese nicht-physiologischen Mischunging der Galle mit der Blutkammer hat in einer künftigen Neugestaltung des Systems angesprochen werden. Die Einstellung der Fließeigenschaften von großer Bedeutung ist 25, insbesondere im Hinblick auf die Gewebe gegen Scherbeanspruchung empfindlich, wie die Leber. Der Betrag der Scherspannung durch das Gewebe wahrgenommen kann auf zwei Arten geändert werden: Zum einen kann der Luftdruck benutzt Festlegung der Membrane der Pumpe zu drücken abgesenkt werden sollen, um Spitzenscherspannungswerte in dem System. Zweitens kann das Gewebe in einer extrazellulären Matrix Schichtung oder eingebettet in Transwell-Kulturplatten gezüchtet werden. Letztere schirmen die Gewebe von den Grundstrom mit einer porösen Membran. Diese Einstellungen müssen auf individueller Basis für jedes Organ Äquivalent vor Beginn der MOC-Experiment durchgeführt werden. Bei einer pulsatilen Betriebs 2.4 Hz, zum Beispiel, die zu einer hohen, aber immer noch physiologischen Herzaktivität von 144 Schlägen entspricht / min bei Menschen, die Scherspannung in der MessKanäle der mikrovaskulären Schaltung erreicht ca. 25 dyn / cm 2. Dies entspricht einer physiologischen Scherspannung bei dem höheren Ende der Skala in Mikrovaskulatur und ist deshalb gut geeignet für Versuche mit einer Endothelialisierung der Kanäle. Da jedoch die Strom mikrofluidischen Anordnung des MOC System präsentiert nur aus einer Medienleitung, die den zwei Organkompartimenten, einer Pumpgeschwindigkeit und Scherspannungsrate wurde für das gesamte System gewählt werden. Daher ist eine exakte Einstellung der Fließeigenschaften auf die Bedürfnisse jedes einzelnen Organs nicht immer durchführbar. Weiterhin Sorgfalt bei der Anpassung der Zellen an das gemeinsame Medium entnommen werden. Die Zellen werden in der MOC in einem kombinierten Medienschaltung kultiviert daher keine einzelne Zellkulturmedien kann für jede Gewebemodell verwendet werden, ist der Standard für die in vitro Zellkultur. Eine minimale kombinierte Medienformulierung muss vorher und t definiert werdener Zellen brauchen, um stufenweise zu dieser neuen Medien angepasst werden. Ein Anpassungsverfahren von 80% / 20% alten zu den neuen Medien für zwei Tage, dann 50% / 50%, gefolgt von 20% / 80% und eine vollständige Austausch immer auf eine angemessene Zelllebensfähigkeit und Funktionalität der Kulturen in unserer Hand geführt. Der Strom mikrofluidischen Anordnung des MOC System erlaubt die Co-Kultur von bis zu drei Geweben. A Kokultur von mindestens zehn wichtigsten Organe des menschlichen Körpers notwendig ist, um die Homöostase zu erreichen. Daher ist das vorgestellte System in der Lage, spezifische Gewebegewebeinteraktion, aber nicht die wahre systemische Reaktion auf eine Substanz vorherzusagen. Eine Weiterentwicklung des MOC mehr Organhöhlen sind vorgesehen. Außerdem wird die Gültigkeit des Systems ist es, mit einem Satz von Referenzverbindungen angezeigt. Vorzugsweise Verbindungen, die während der klinischen Studien (wie zB Troglitazon) gescheitert sind, für ihre Leistung in dem MOC untersucht werden. Während, ist eine echte Validierung solcher komplexen Systeme noch b behinderty die fehlende Standardisierung über Biomarker und Endpunkte für die funktionelle Bewertung, sammeln mehr Daten zur Toxizität Leistung dieser und ähnlicher Systeme wird ihre Zuverlässigkeit und Einsatzbereich zu erweitern.

Aktuelle Monolage oder Suspensionszellkultur-Assays für die Arzneimittelentwicklung, versäumen es, den menschlichen zellulären Mikroumgebung zu emulieren und damit zu einem raschen Entdifferenzierung und Funktionsverlust in primären humanen Zellkulturen. Gewebemodelle mit höherer physiologischer Relevanz sind erforderlich, um die Wirksamkeit und Sicherheit von Verbindungen vor Zutritt zu klinischen Studien vorherzusagen. Vor kurzem haben in vitro-Standardzellkulturtechniken von zweidimensionalen Schichtkulturen zu dreidimensionale mehrzellige Modelle entwickelt, mit dem Ziel, die in vivo Gewebemikroumgebung nachzuahmen. Diese Systeme wurden bereits wesentliche Verbesserungen gegen genauere Vorhersage der Wirkungsweise der Verbindungen 1,2 gezeigt. Weiterhin Anpassung der in vitro-Kulturbedingungen für die hoch spezialisierten Anforderungen von Zellen ist von besonderem Interesse. Unter Standardbedingungen in vitro, eine Vielzahl von wichtigen cultur Parameter wie Nährstoff und Versorgung mit Sauerstoff, die Entfernung von Akkumulieren Produkte und mechanische Kraft auf die Zellen wirkt, oft nicht vollständig in den meisten Fällen überprüft wird. Viele Organe besitzen physiologisch relevanten Konzentrationsgradienten von Stoffen und gelösten Sauerstoff. Allerdings sind diese hoch reguliert und optimierten Bedingungen in deutlichem Widerspruch zu den unkontrollierbaren Diffusionsgradienten um Gewebe unter in vitro Bedingungen, was zu einer sehr instabilen Umfeld und die Begrenzung der Zellentwicklung 3. Somit mäßigere und insbesondere mehr quantifizierbar in vitro-Bedingungen sind erforderlich, um Zellen über längere Zeit zu halten lebensfähigen und differenziert. Perfundiert Systemen, bei denen Komponenten des Mediums werden regelmässig entnommen und ersetzt, sind oft besser charakterisiert und kontrollierbar als statische Kulturen hinsichtlich der direkten Umgebung des Gewebes. Unter statischen Bedingungen Diffusionsgradienten Zellsekrete und das Kulturmedium Nährstoffekönnte kultivierten Zellen 3 umgeben. Einführung in gut charakterisierten mittleren Flussraten um das Gewebe ermöglichen die Zellsekret mit dem Vollmedium durch Perfusion mischen. Dies ermöglicht die Erzeugung definierter zelluläre Mikroumgebung, um eine stabile Zell Phänotyp und metabolisierende Enzymexpression in der ganzen Testzeit: 4. Jüngste Entwicklungen in der Multi-Organ-Chip (MOC) -basierte Systeme kombinieren die Vorteile eines kontrollierten Medium Umströmung konstruiert Gewebe mit den kleinen, mittleren und Zellmasse Anforderungen der Mikrobioreaktoren, was zu einer reduzierten Menge an Substanz während der Prüfung erforderlich ist. Mehrere Mikrofluidik-Systeme für die Gewebekultur wurden bisher 5,6 beschrieben. Tissue-Fluid-Verhältnisse innerhalb dieser Systeme spielen eine besonders wichtige Rolle bei der Simulation von physiologisch relevanten Zellübersprechen. Aufgrund technischer Beschränkungen, wie die Verwendung von externen Pumpen und Medienspeicher, thE insgesamt zirkulierenden Mediavolumen in den meisten Systemen ist zu groß im Vergleich zu den Gewebevolumen. Die Gruppe von Shuler et al. Waren die ersten, ein System eine ordnungsgemäße Verweilzeiten von Stoffen in den Zellkulturräumen und in vivo relevanten Gewebe-zu-Flüssigkeitsverhältnisse 7,8 zu entwickeln. Dies wurde durch die Skalierung des externen Reservoir auf eine Platte mit 96 Vertiefungen, die auch für die &quot;anderen Geweben&quot; Raum erreicht. Um die zirkulierenden Mediavolumen innerhalb unserer MOC Plattform zu minimieren, haben wir ein Schlauch On-Chip-Mikropumpe, wodurch die Notwendigkeit für externe Medien Schaltungen. Diese Mikropumpe in der Lage ist, das System mit einer wählbaren Anzahl von Medienfließgeschwindigkeiten und Scherbeanspruchungsgeschwindigkeit 9 zu betreiben. Mikrofluidische Kanalsystem von 500 um Breite und 100 um Höhe verbindet zwei standardisierte Gewebekulturflächen, die jeweils die Größe einer einzelnen Vertiefung einer Platte mit 96 Vertiefungen. Das Festhalten an der Größe der Industrie-Standard-Well-Plattes ermöglicht die Integration von bereits vorhandenen Gewebemodelle im Transwell-Format produziert. Weiterhin ist die vertikale Position der Transwell-Zellkultur-Einsätze einstellbar, so dass die Kultivierung der Gewebemodellen, die nicht nur direkt an den Fluidfluss ausgesetzt sind, können aber auch angehoben und von den Grundstrom abgeschirmt werden. Ebenso sind Luft-Flüssigkeit-Grenzfläche Kulturen möglich mit diesem System. Das MOC-Plattform aus einem Polydimethylsiloxan (PDMS) Schicht 2 mm hoch ist und einen Glasobjektträger mit einer Grundfläche von 75 x 25 mm 2, die permanent durch Niederdruck-Plasmaoxidations gebunden sind, um die fluiddichte mikrofluidischen Schaltkreis zu bilden, hergestellt. Die PDMS-Schicht der jeweiligen Kanäle und Zellkulturabteile enthält, wird durch Standard-Weichlithographie und Replika Form 9 produziert. Die Mikrofluidik-Design der MOC in dieser Studie verwendet wurde, bestand aus zwei separaten mikrofluidische Schaltkreise pro Chip, die jeweils mit zwei Zell cultur Fächer durch ein Kanalsystem 100 &amp; mgr; m hoch miteinander verbunden. Dies erlaubt die Leistung von zwei einzelnen zwei Gewebe Cokulturen mit einem Multi-Organ-Chip. Pumpfrequenzen wurden eingestellt, um mittlere Durchflussmengen von 40 ml / min zu erhalten. Diese zweiGewebe MOC Gestaltung vorgesehen die Fähigkeit, eine Leber Sphäroid und eine Haut-Stanzbiopsie in getrennten Kulturräume Kokultur, wenn auch in einer gemeinsamen Medienschaltung unter physiologischen Flussbedingungen. Differentiated HepaRG Zellen wurden mit menschlichen Lebersternzellen (HHSteC) in einem Verhältnis von 24 zusammengefasst: 1, um eine homogene Sphäroide zu bilden. Dieses Verhältnis wurde als optimal herausgestellt, da in früheren Experimenten 10 beobachtet, obwohl fast das Doppelte der Anzahl der Leberzellen wurden verwendet, verglichen mit der in vivo Situation. Die Haut wurde in einer Luft-Flüssigkeit-Grenzfläche in einem Transwell-Zellkultureinsatz kultiviert, so dass die topische Substanz Belichtung. Diese Gewebemodelle wurden für 28 d kokultiviertays im MOC, um die Vollständigkeit des Systems zu demonstrieren. Weiterhin wurde die mikrofluidische Kanalschaltung der Chips vollständig humane dermale mikrovaskuläre Endothelzellen (HDMEC) bedeckt, um das Gefäßsystem genauer zu simulieren.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="756">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:163px;">Company</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td style="width:215px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">HepaRG cells</td>
			<td style="width:163px;">Biopredic International</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>undifferentiated cells</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">HHSteC</td>
			<td style="width:163px;">ScienCell Research Laboratories</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td style="width:215px;">cells and all culture supplements</td>
		</tr>
		<tr height="171">
			<td height="171" style="height:171px;width:216px;">HepaRG Medium</td>
			<td style="width:163px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td style="width:215px;">William&#39;s Medium E&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; 10% FCS&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; 100 U/ml penicillin&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; 100 &#181;g/ml streptomycin&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; 5 &#181;g/ml human insulin&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; 2 mM L-glutamine&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; 5 x 10-5 M hydrocortisone hemisuccinate</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:216px;">HDMEC Medium</td>
			<td style="width:163px;">PromoCell</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td style="width:215px;">Endothelial Cell Growth Medium MV2 with Supplement-Pack MV2 and&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; 1% penicillin-streptomycin</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Dimethyl sulfoxide</td>
			<td style="width:163px;">Carl Roth</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>add 2% to HepaRG media</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Trypsin/EDTA</td>
			<td style="width:163px;">Biowest</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Trypsininhibitor</td>
			<td style="width:163px;">Carl Roth</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">MAXYMum Recovery Tips</td>
			<td style="width:163px;">Corning</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>1000 &#181;l Pipet Tips Wide Bore</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">384-Well Hanging Drop Plate</td>
			<td style="width:163px;">3D Biomatrix</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td style="width:215px;">Perfecta 3D 384-Well Hanging Drop Plate</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:216px;">Tissue culture flasks</td>
			<td style="width:163px;">Corning</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>75 cm2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ultra-low attachment plate</td>
			<td style="width:163px;">Corning</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>24-well</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Transwell cell culture inserts</td>
			<td style="width:163px;">Corning</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td style="width:215px;">96-well unit,&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;&#160; 0.4 &#181;m pore size</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Deep well plates</td>
			<td style="width:163px;">Corning</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td style="width:215px;">96-well, 1 ml</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Biopsy punch</td>
			<td style="width:163px;">Stusche</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>4.5 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Glass microscope slide</td>
			<td style="width:163px;">Menzel</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>footprint of 75 x 25mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Polydimethylsiloxane</td>
			<td style="width:163px;">Dow Corning</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>Sylgard 184</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Silicon rubber additive</td>
			<td style="width:163px;">Wacker Chemie</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>Wacker Primer G790</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Tubes for air pressure</td>
			<td style="width:163px;">SMC Pneumatik GmbH</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>Polyurethan-Schlauch, metrisch</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Alumin ELISA</td>
			<td style="width:163px;">Bethyl Laboratories</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td style="width:215px;">Human Albumin ELISA Quantitation Set</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Lactate dehydrogenase assay</td>
			<td style="width:163px;">Stanbio Laboratory</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>LDH Liqui-UV kit</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:216px;">Alexa Fluor 594 acetylated LDL</td>
			<td style="width:163px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td>1 mg/ml</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

the multi-organ chip - a microfluidic platform for long-term multi-tissue coculture

The ever growing amount of new substances released onto the market and the limited predictability of current in vitro test systems has led to a high need for new solutions for substance testing. Many drugs that have been removed from the market due to drug-induced liver injury released their toxic potential only after several doses of chronic testing in humans. However, a controlled microenvironment is pivotal for long-term multiple dosing experiments,&#160;as even minor alterations in extracellular conditions may greatly influence the cell physiology. We focused within our research program on the generation of a microengineered bioreactor, which can be dynamically perfused by an on-chip pump and combines at least two culture spaces for multi-organ applications. This circulatory system mimics the in vivo conditions of primary cell cultures better and assures a steadier,&#160;more quantifiable extracellular relay of signals to the cells. 
For demonstration purposes, human liver equivalents, generated by aggregating differentiated HepaRG cells with human hepatic stellate cells in hanging drop plates, were cocultured with human skin punch biopsies for up to 28 days inside the microbioreactor. The use of cell culture inserts enables the skin to be cultured at an air-liquid interface, allowing topical substance exposure. The microbioreactor system is capable of supporting these cocultures at near physiologic fluid flow and volume-to-liquid ratios, ensuring stable and organotypic culture conditions. The possibility of long-term cultures enables the repeated exposure to substances. Furthermore, a vascularization of the microfluidic channel circuit using human dermal microvascular endothelial cells yields a physiologically more relevant vascular model.

Standard-in vitro-Zellkulturen sind unter statischen Bedingungen durchgeführt, wodurch die Diffusion von Sauerstoff und Nährstoffzufuhr zu den Geweben. Fluidische Systeme und zeigt eine verbesserte Versorgungs Eigenschaften, sind oft durch ihre großen mittleren Anforderungen behindert, mit unphysiologisch hoch mittel, um Gewebe-Verhältnisse. Somit sind Metaboliten verdünnt und die Zellen sind nicht in der Lage, ihre Umgebung zu konditionieren. Die in dieser Studie präsentierten MOC verbindet zwei getrennte Gewebekulturfächer, die jeweils die Größe einer einzelnen Vertiefung einer Standard-96-Well-Platte durch eine mikrofluidische Kanalsystem. Die geringe Größe des Systems und der Integration der Pumpe auf dem Chip ermöglicht dem System, bei Medienvolumen von nur 200 bis 800 &amp; mgr; l zu arbeiten. Dies entspricht einer Gesamt systemische Medium, um Gewebe-Verhältnis von 8: 1 bis 31: 1, jeweils für die Leber und das Hautgewebe Cokulturen (mit einer Gesamtgewebevolumen von etwa 26 ul). Die gesamte extrazelluläre Flüssigkeitsvolumen in ein Mann mit einem Gewicht von 73 kg 14,6 L ist, dessen interkapilläre Fluidvolumen 5,1 L, die zu einer physiologischen extrazellulären Flüssigkeit zu Gewebe-Verhältnis von 1: 4. Daher ist die Menge des Druckmaterials im gesamten Umlaufsystem im MOC noch größer als bei der physiologischen Situation; und noch stellt es die kleinste Mahlkörper um Gewebe Verhältnis bisher für Multiorgansysteme 5 gemeldet. Als Industrie-Standard-Gewebekulturformate erhalten bleiben, sind die Forscher in der Lage, bestehende und bereits validierten statischen Gewebemodelle in einem gemeinsamen Flüssigkeitsstrom zu kombinieren. 1 zeigt die schematische Darstellung einer Versuchsanordnung möglicher MOC einzelnen Gewebe oder Multi-Tissue Co-Kulturen. Primäre Gewebebiopsien und in vitro -generated Gewebeäquivalenten von Zelllinien oder primären Zellen können oder indem sie direkt in die Gewebekultur kultiviert Fächer entweder mit 96-Loch-Zellkultureinsätze werden. Da die Kanalsystem Verbinden der Zellkulturabteile nur 100 μm hoch ist, wird Gewebe-Äquivalente mehr als diese Dimensionen innerhalb der Kulturfächer halten. Die Endothelialisierung des MOC Kreis mit primärem HDMECs ermöglicht einen weiteren Schritt hin zu mehr physiologischen Kulturbedingungen durch die Bereitstellung einer biologischen Gefäßstruktur. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/52526/52526fig1highres.jpg" width="700" /> Abb. 1: Schematische Darstellung der MOC Kulturen Tissue Mittel werden unter Standard-in-vitro-Bedingungen hergestellt, in das MOC impft und als einzelne Kulturen oder Co-Kulturen unter dynamischen Bedingungen kultiviert. Tägliche Medienproben und Endpunktanalysen durchgeführt. Der Luftdruck zum Antrieb der Pumpe wird durch die drei blauen Röhren zum MOC von oben verbunden ist. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52526/52526fig1highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.</a> </a&gt; Nach der Endothelialisierung Protokoll wird eine konfluente HDMEC Abdeckung des mikrofluidischen Kanal Schaltung innerhalb von vier Tagen nach der dynamischen Kultur erhalten wird, wie in 2 gezeigt. Die Zellen leicht haften an den Wänden der MOC Kanals schaffen eine konfluente Monoschicht und länglich entlang der Scher Stress (2B). Ferner decken Zellen den gesamten Umfang der Kanäle, wie bereits 9 angegeben. Nach vier Tagen Kultivierung wurde keine weitere Änderung in endothelial Morphologie beobachtet, bis zum Ende der Kultur. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/52526/52526fig2.jpg" /> Fig. 2: endothelialisiert MOC Kanäle Humane dermale mikrovaskuläre Endothelzellen (HDMEC) gebildet eine konfluente Monoschicht in der mikrofluidischen Schaltung. Die Zellen wurden mit acetyliertem LDL nach 23 Tagen des MOC Kultur gefärbt. (A) Das ganze microvascular Schaltung wurde mit Zellen und (B) Zellen entlang der Scherspannung längliche bedeckt. Maßstabsbalken: (A) 1000 um und (B) 100 um. In einem weiteren Experiment werden konsistente scheibenförmigen Leberzell Sphäroide aus HepaRG und HHSteC während zwei Tagen hängenden Tropfen Kultur gebildet, wie dies Modellsystems wurde zuvor als geeignet für den Arzneimittelstoffwechsel berichteten Studien 11-13. Zu Demonstrationszwecken wurde ein Gewebekultur-Kammer jeder MOC Schaltung 20 Sphäroide in 96-Well-Zellkulturplatten ausgesät und Gewebe wurden über 14 Tage unter dynamischen Bedingungen kultiviert unter Verwendung von nicht-endothelialisiert MOCs. Eine beliebige Anzahl von Aggregaten oder Höhe der Primärmaterial kann entweder direkt in die Fächer oder unter Verwendung von Zellkultureinsätzen integrieren. Immunfluoreszenzfärbung der Sphäroide nach dem Abrufen aus dem MOC zeigt eine starke, homogene Ausdruck für liver-typische Cytokeratin 8/18 und Phase I metabolisierende Enzyme Cytochrom P450 3A4 und 7A1 (3A und 3B). Anfärbung kanalikulären transporter Multi-Drug-Resistenzprotein 2 (MRP-2) zeigte eine polarisierte Phänotyp und die Existenz von rudimentären Gallenkanälchen artigen Netzwerken (3C). <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/52526/52526fig3.jpg" /> Abbildung 3 :. Die Kultivierung der menschlichen künstliche Leber Mikrogewebe in den MOC. Liver Aggregate für 14 Tage im MOC kultiviert wurden (A) Cytokeratin 8/18 (rot) und (B) Cytochrom P450 3A4 (rot) und 7A1 (grün) gefärbt. (C) Die Expression von kanalikulären Transporter MRP-2 (grün), blau Kernfärbung. Maßstabsbalken: 100 um. Da die Produktion von Albumin ist eine wesentliche Voraussetzung für Lebergewebekulturen, hat es been ausgewählt, um Leber-typische Aktivität im MOC überwachen. Analysieren täglichen Medienproben für Albuminproduktion eine deutliche Steigerung der Produktionsrate in MOC Kulturen im Vergleich zu statischen Kulturen (Figur 4) und die Werte in der Literatur 11 gemeldet. Der Anstieg der Albuminsyntheserate könnte die erhöhte Sauerstoff- und Nährstoffversorgung im MOC Kulturen zurückzuführen. Folglich ist die Lage, MOC Leber Aggregate über eine Kulturdauer von 14 Tagen in einer metabolisch aktiven Zustand aufrechtzuerhalten, Verbesserung leber typisches Verhalten, wie Albumin Produktion. <img alt="4" src="/files/ftp_upload/52526/52526fig4.jpg" /> Abbildung 4: Vierzehn-Tage-Leber Sphäroid Leistung im MOC Albumin Produktion von Leber einzigen Gewebekulturen in der MOC und in statischer Kultur.. Daten sind Mittelwerte ± SEM (n = 4). Subsystemic chronischen Toxizität Erprobung chemikalien und Kosmetika an Tieren erfordert 21 bis 28 Tagen nach der Exposition, wie von der OECD-Richtlinie definiert nicht. 410 &quot;bei wiederholter Gabe dermale Toxizität: 21/28 tägigen Studie.&quot; Die langfristigen Haut Leber Co-Kulturen werden hier bis zu 28 Tage veranschaulicht, mit regulatorischen Anforderungen gerecht zu werden. Ein Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche ist für spätere Hautsubstanzen Belichtung durch Kultivieren von Hautbiopsien in 96-Well-Zellkultur-Einsätzen versehen ist. Die Co-Kultur-Experiment ist beispielhaft in endothelialisiert MOCs durchgeführt, um zu beweisen, ob ein Drei-Gewebe Co-Kultur in einer gemeinsamen Medien Schaltung kann lebensfähig und über 28 Tage metabolisch aktiv gehalten werden. Analyse der LDH-Aktivität in den Medien-Überstände zeigten eine stetig abnehmende Ebene in den ersten acht Tagen der Kultur, die bei etwa 80 U / l danach (5) konstant blieb. Dies zeigt eine künstliche, aber stabile Gewebeumsatz im System zu späteren Zeitpunkten. Vergleicht man die drei Teil Kokultur Lebereinzel-tissue und Leber-endotheliale Co-Kultur-Experimente konnte eine signifikant verminderte LDH Ebene gefunden werden, vor allem in den ersten Tagen in Kulturen ohne die Haut. Der Zelltod innerhalb dieser ersten Periode hoher LDH-Aktivität erfolgte vor allem in der Hautkulturabteil als Haut einzigen Gewebe MOC Kulturen zeigte (Daten nicht gezeigt). Dies könnte an der verwundeten Umgebung der Biopsie als Ergebnis des Stanz der Haut sein. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/52526/52526fig5.jpg" /> Abbildung 5: Fünfzehn Tage Gewebeentwicklung im MOC LDH-Aktivität in den Medienüberständen von Leber einzigen Gewebekulturen (MOC Li), Leber-Kulturen in endothelialisiert MOCs (MOC Li-Va) und Leber-Haut Co-Kulturen in endothelialisiert MOC (MOC Li. -Va-Sk). Daten sind Mittelwerte ± SEM (n = 4). Während der 28-tägigen Züchtungsperiode, Leber Sphäroiden auf die Unterseite des MOC a geklebtnd Zellen entwickelte sich aus und bilden eine mehrschichtige Verbindung zwischen benachbarten Kügelchen. Das ist nicht zu behindern Gewebe Funktionalität. Endpoint-Analyse mittels Immunfluoreszenz zeigte, dass Leber-Sphäroiden noch nach 28 Tagen MOC Kokultur metabolisch aktiv, wie von Cytochrom P450 3A4-Färbung (6A) gezeigt. HHSteC wurden während der gesamten Leberäquivalent verteilt, wie von Vimentin Färbung (6B) gezeigt. Eine Erhöhung der Vimentin Färbeintensität könnte in Bereichen, in denen Zellen waren aus Sphäroiden gewachsen zu beachten. Färbung für von Willebrand-Faktor (vWF), daß Endothelzellen, nicht tief in das Gewebe eingedrungen ist, waren aber in direkten Zell-Zell-Kontakt mit den äußeren Hepatozyten (6C). Immunohistochemie-Färbung der Hautbiopsien zeigten eine Expression von Tenascin C und Kollagen IV in der Basalmembran (6D), während die Färbung des statischen Kontrolle zeigte elevated Ebenen der Tenascin C (6E). Tenascin C wurde gezeigt, dass bei der Wundheilung, entzündlichen Prozessen und Fibrose hochreguliert, was vermuten lässt induzierten fibrotischen Prozessen in statische, nicht aber in dynamischen Kulturen 14,15. Stabile Zell-Lebensfähigkeit und Funktionsfähigkeit von Geweben nach 28 Tagen Cokultur im MOC beweisen, dass das System in der Lage ist, eine Kombination von bis zu drei Gewebe in einer gemeinsamen Medienschaltung aufrechtzuerhalten. Primärzellen sowie Gewebemodelle und Biopsien, gleichzeitig im MOC System gepflegt werden. <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/52526/52526fig6highres.jpg" width="700" /> Fig. 6: Entwicklung mehrGewebeKulturen über 28 Tage Liver Äquivalente und Hautbiopsien wurden in eine endothelialisiert MOC und Zellfunktionalität kultiviert wurde durch Immunfärbung von (A) Phase I gezeigt Enzymen Cytochrom P4503A4 (rot), (B) Vimentin (rot), (C) Cytokeratin 8/18 (rot) und vWF (grün) im Lebergewebe. Hautbiopsien für 28 Tage (D) in der MOC oder (E) unter statischen Bedingungen kokultiviert wurden Tenascin C (rot) und Kollagen IV (grün), blau Kernfärbung gefärbt. (F) H &amp; E-Färbung der Haut nach 28 Tagen MOC Kultur. Maßstabsbalken: 100 um.

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The Multi-organ Chip - A Microfluidic Platform for Long-term Multi-tissue Coculture | Bioengineering | Video

The Multi-organ Chip - A Microfluidic Platform for Long-term Multi-tissue Coculture

Here, we present a protocol to coculture primary cells, tissue models and punch biopsies in a microfluidic multi-organ chip for up to 28 days. Human dermal microvascular endothelial cells, liver aggregates and skin biopsies were successfully combined in a common media circulation.

Die Multi-Organ Chip - Ein Mikrofluidik-Plattform für langfristige Multi-Gewebe Cokultur

The ever growing amount of new substances released onto the market and the limited predictability of current in vitro test systems has led to a high need ...

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28.4K Aufrufe.  Technische Universität Berlin. Here, we present a protocol to coculture primary cells, tissue models and punch biopsies in a microfluidic multi-organ chip for up to 28 days. Human dermal microvascular endothelial cells, liver aggregates and skin biopsies were successfully combined in a common media circulation.

Serie: The Multi-organ Chip - A Microfluidic Platform for Long-term Multi-tissue Coculture

High-throughput Protein Expression Generator Using a Microfluidic Platform

Rapidly increasing fields, such as systems biology, require the development and implementation of new technologies, enabling high-throughput and high-fidelity measurements of large systems. Microfluidics promises to fulfill many of these requirements, such as performing high-throughput screening experiments on-chip, encompassing biochemical, biophysical, and cell-based assays1. Since the early days of microfluidics devices, this field has drastically evolved, leading to the development of microfluidic large-scale integration2,3. This technology allows for the integration of thousands of micromechanical valves on a single device with a postage-sized footprint (Figure 1). We have developed a high-throughput microfluidic platform for generating in vitro expression of protein arrays (Figure 2) named PING (Protein Interaction Network Generator). These arrays can serve as a template for many experiments such as protein-protein 4, protein-RNA5 or protein-DNA6 interactions.
The device consist of thousands of reaction chambers, which are individually programmed using a microarrayer. Aligning of these printed microarrays to microfluidics devices programs each chamber with a single spot eliminating potential contamination or cross-reactivity Moreover, generating microarrays using standard microarray spotting techniques is also very modular, allowing for the arraying of proteins7, DNA8, small molecules, and even colloidal suspensions. The potential impact of microfluidics on biological sciences is significant. A number of microfluidics based assays have already provided novel insights into the structure and function of biological systems, and the field of microfluidics will continue to impact biology.

We present a microfluidic approach for the expression of protein arrays. The device consists of thousands of reaction chambers controlled by micro-mechanical valves. The microfluidic device is mated to a microarray-printed gene library. These genes are then transcribed and translated on-chip, resulting in a protein array ready for experimental use.

High-throughput Protein Expression Generator mit einem mikrofluidischen Plattform

Rapidly increasing fields, such as systems biology, require the development and implementation of new technologies, enabling high-throughput and ...

Forschung

Biotechnik

A Microfluidic Chip for the Versatile Chemical Analysis of Single Cells

We present a microfluidic device that enables the quantitative determination of intracellular biomolecules in multiple single cells in parallel. For this purpose, the cells are passively trapped in the middle of a microchamber. Upon activation of the control layer, the cell is isolated from the surrounding volume in a small chamber. The surrounding volume can then be exchanged without affecting the isolated cell. However, upon short opening and closing of the chamber, the solution in the chamber can be replaced within a few hundred milliseconds. Due to the reversibility of the chambers, the cells can be exposed to different solutions sequentially in a highly controllable fashion, e.g. for incubation, washing, and finally, cell lysis. The tightly sealed microchambers enable the retention of the lysate, minimize and control the dilution after cell lysis. Since lysis and analysis occur at the same location, high sensitivity is retained because no further dilution or loss of the analytes occurs during transport. The microchamber design therefore enables the reliable and reproducible analysis of very small copy numbers of intracellular molecules (attomoles, zeptomoles) released from individual cells. Furthermore, many microchambers can be arranged in an array format, allowing the analysis of many cells at once, given that suitable optical instruments are used for monitoring. We have already used the platform for proof-of-concept studies to analyze intracellular proteins, enzymes, cofactors and second messengers in either relative or absolute quantifiable manner.

In this article we present a microfluidic chip for single cell analysis. It allows the quantification of intracellular proteins, enzymes, cofactors, and second messengers by means of fluorescent assays or immunoassays.&#160;

Eine mikrofluidische Chip für die vielseitige chemische Analyse von Einzelzellen

We present a microfluidic device that enables the quantitative determination of intracellular biomolecules in multiple single cells in parallel. For this ...

Cell Squeezing as a Robust, Microfluidic Intracellular Delivery Platform

Rapid mechanical deformation of cells has emerged as a promising, vector-free method for intracellular delivery of macromolecules and nanomaterials. This technology has shown potential in addressing previously challenging applications; including, delivery to primary immune cells, cell reprogramming, carbon nanotube, and quantum dot delivery. This vector-free microfluidic platform relies on mechanical disruption of the cell membrane to facilitate cytosolic delivery of the target material. Herein, we describe the detailed method of use for these microfluidic devices including, device assembly, cell preparation, and system operation. This delivery approach requires a brief optimization of device type and operating conditions for previously unreported applications. The provided instructions are generalizable to most cell types and delivery materials as this system does not require specialized buffers or chemical modification/conjugation steps. This work also provides recommendations on how to improve device performance and trouble-shoot potential issues related to clogging, low delivery efficiencies, and cell viability.

Rapid mechanical deformation of cells has emerged as a promising, vector-free method for intracellular delivery of macromolecules and nanomaterials. This protocol provides detailed steps on how to use the system for a broad range of applications.

Zellzusammendrücken als Robust, Mikrofluidik Intrazelluläre Delivery Platform

Rapid mechanical deformation of cells has emerged as a promising, vector-free method for intracellular delivery of macromolecules and nanomaterials. This ...

Microfluidic Platform for Measuring Neutrophil Chemotaxis from Unprocessed Whole Blood

Neutrophils play an essential role in protection against infections and their numbers in the blood are frequently measured in the clinic. Higher neutrophil counts in the blood are usually an indicator of ongoing infections, while low neutrophil counts are a warning sign for higher risks for infections. To accomplish their functions, neutrophils also have to be able to move effectively from the blood where they spend most of their life, into tissues, where infections occur. Consequently, any defects in the ability of neutrophils to migrate can increase the risks for infections, even when neutrophils are present in appropriate numbers in the blood. However, measuring neutrophil migration ability in the clinic is a challenging task, which is time consuming, requires large volume of blood, and expert knowledge. To address these limitations, we designed a robust microfluidic assays for neutrophil migration, which requires a single droplet of unprocessed blood, circumvents the need for neutrophil separation, and is easy to quantify on a simple microscope. In this assay, neutrophils migrate directly from the blood droplet, through small channels, towards the source of chemoattractant. To prevent the granular flow of red blood cells through the same channels, we implemented mechanical filters with right angle turns that selectively block the advance of red blood cells. We validated the assay by comparing neutrophil migration from blood droplets collected from finger prick and venous blood. We also compared these whole blood (WB) sources with neutrophil migration from samples of purified neutrophils and found consistent speed and directionality between the three sources. This microfluidic platform will enable the study of human neutrophil migration in the clinic and the research setting to help advance our understanding of neutrophil functions in health and disease.

This protocol details an assay designed to measure human neutrophil chemotaxis from one droplet of whole blood with robust reproducibility. This approach circumvents the need for neutrophil separation and requires only a few minutes of assay preparation time. The microfluidic chip enables the repeated measure of neutrophil chemotaxis over time in infants or small mammals, where sample volume is limited.

Mikrofluidik-Plattform zur Messung der Neutrophilen-Chemotaxis von Rohboden Vollblut

Neutrophils play an essential role in protection against infections and their numbers in the blood are frequently measured in the clinic. Higher ...

A Microfluidic Chip for ICPMS Sample Introduction

This protocol discusses the fabrication and usage of a disposable low cost microfluidic chip as sample introduction system for inductively coupled plasma mass spectrometry (ICPMS). The chip produces monodisperse aqueous sample droplets in perfluorohexane (PFH). Size and frequency of the aqueous droplets can be varied in the range of 40 to 60 &#181;m and from 90 to 7,000&#160;Hz, respectively. The droplets are ejected from the chip with a second flow of PFH and remain intact during the ejection. A custom-built desolvation system removes the PFH and transports the droplets into the ICPMS. Here, very stable signals with a narrow intensity distribution can be measured, showing the monodispersity of the droplets. We show that the introduction system can be used to quantitatively determine iron in single bovine red blood cells. In the future, the capabilities of the introduction device can easily be extended by the integration of additional microfluidic modules.

We present a discrete droplet sample introduction system for inductively coupled plasma mass spectrometry (ICPMS). It is based on a cheap and disposable microfluidic chip that generates highly monodisperse droplets in a size range of 40&#8722;60 &#181;m at frequencies from 90 to 7,000 Hz.

Eines mikrofluidischen Chips für ICPMS Probenaufgabe

This protocol discusses the fabrication and usage of a disposable low cost microfluidic chip as sample introduction system for inductively coupled plasma ...

Imaging the Root Hair Morphology of Arabidopsis Seedlings in a Two-layer Microfluidic Platform

Root hairs increase root surface area for better water uptake and nutrient absorption by the plant. Because they are small in size and often obscured by their natural environment, root hair morphology and function are difficult to study and often excluded from plant research. In recent years, microfluidic platforms have offered a way to visualize root systems at high resolution without disturbing the roots during transfer to an imaging system. The microfluidic platform presented here builds on previous plant-on-a-chip research by incorporating a two-layer device to confine the Arabidopsis thaliana main root to the same optical plane as the root hairs. This design enables the quantification of root hairs on a cellular and organelle level and also prevents z-axis drifting during the addition of experimental treatments. We describe how to store the devices in a contained and hydrated environment, without the need for fluidic pumps, while maintaining a gnotobiotic environment for the seedling. After the optical imaging experiment, the device may be disassembled and used as a substrate for atomic force or scanning electron microscopy while keeping fine root structures intact.

Imaging the Root Hair Morphology of Arabidopsis Seedlings in a Two-layer Microfluidic Platform

This article demonstrates how to culture Arabidopsis thaliana seedlings in a two-layer microfluidic platform that confines the main root and root hairs to a single optical plane. This platform can be used for real-time optical imaging of fine root morphology as well as for high-resolution imaging by other means.

Bildgebung der Wurzelhaare Morphologie der Arabidopsis Sämlinge in einer zweischichtigen mikrofluidischen Plattform

Root hairs increase root surface area for better water uptake and nutrient absorption by the plant. Because they are small in size and often obscured by ...

Dry Film Photoresist-based Electrochemical Microfluidic Biosensor Platform: Device Fabrication, On-chip Assay Preparation, and System Operation

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An easy-to-use and low-cost sensor platform is highly desired to measure various types of analytes (e.g., biomarkers, hormones, and drugs) quantitatively and specifically. For this reason, dry film photoresist technology - enabling cheap, facile, and high-throughput fabrication - was used to manufacture the microfluidic biosensor presented here. Depending on the bioassay used afterwards, the versatile platform is capable of detecting various types of biomolecules. For the fabrication of the device, platinum electrodes are structured on a flexible polyimide (PI) foil in the only clean-room process step. The PI foil serves as a substrate for the electrodes, which are insulated with an epoxy-based photoresist. The microfluidic channel is subsequently generated by the development and lamination of dry film photoresist (DFR) foils onto the PI wafer. By using a hydrophobic stopping barrier in the channel, the channel is separated into two specific areas: an immobilization section for the enzyme-linked assay and an electrochemical measurement cell for the amperometric signal readout.
The on-chip bioassay immobilization is performed by the adsorption of the biomolecules to the channel surface. The glucose oxidase enzyme is used as a transducer for electrochemical signal generation. In the presence of the substrate, glucose, hydrogen peroxide is produced, which is detected at the platinum working electrode. The stop-flow technique is applied to obtain signal amplification along with rapid detection. Different biomolecules can quantitatively be measured by means of the introduced microfluidic system, giving an indication of different types of diseases, or, in regard to therapeutic drug monitoring, facilitating a personalized therapy.

A microfluidic biosensor platform was designed and fabricated using low-cost dry film photoresist technology for the rapid and sensitive quantification of various analytes. This single-use system allows for the electrochemical readout of on-chip-immobilized enzyme-linked assays by means of the stop-flow technique.

Trockenen Film Photoresist-basierte elektrochemische mikrofluidischen Biosensor Plattform: Gerät Fertigung, On-Chip-Test Vorbereitung und Systembetrieb

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An ...

A Microfluidic Platform for Longitudinal Imaging in Caenorhabditis elegans

In the last decade, microfluidic techniques have been applied to study small animals, including the nematode Caenorhabditis elegans, and have proved useful as a convenient live imaging platform providing capabilities for precise control of experimental conditions in real time. In this article, we demonstrate live imaging of individual worms employing WormSpa, a previously-published custom microfluidic device. In the device, multiple worms are individually confined to separate chambers, allowing multiplexed longitudinal surveillance of various biological processes. To illustrate the capability, we performed proof-of-principle experiments in which worms were infected in the device with pathogenic bacteria, and the dynamics of expression of immune response genes and egg laying were monitored continuously in individual animals. The simple design and operation of this device make it suitable for users with no previous experience with microfluidic-based experiments. We propose that this approach will be useful for many researchers interested in longitudinal observations of biological processes under well-defined conditions.

A Microfluidic Platform for Longitudinal Imaging in Caenorhabditis elegans

In this article, we demonstrate live imaging of individual worms employing a custom microfluidic device. In the device, multiple worms are individually confined to separate chambers, allowing multiplexed longitudinal surveillance of various biological processes.

Mikrofluidische Plattform für längs-Imaging in Caenorhabditis elegans

In the last decade, microfluidic techniques have been applied to study small animals, including the nematode Caenorhabditis elegans, and have proved ...

A Multilayer Microfluidic Platform for the Conduction of Prolonged Cell-Free Gene Expression

The limitations of cell-based synthetic biology are becoming increasingly apparent as researchers aim to develop larger and more complex synthetic genetic regulatory circuits. The analysis of synthetic genetic regulatory networks in vivo is time consuming and suffers from a lack of environmental control, with exogenous synthetic components interacting with host processes resulting in undesired behavior. To overcome these issues, cell-free characterization of novel circuitry is becoming more prevalent. In vitro transcription and translation (IVTT) mixtures allow the regulation of the experimental environment and can be optimized for each unique system. The protocols presented here detail the fabrication of a multilayer microfluidic device that can be utilized to sustain IVTT reactions for prolonged durations. In contrast to batch reactions, where resources are depleted over time and (by-) products accumulate, the use of microfluidic devices allows the replenishment of resources as well as the removal of reaction products. In this manner, the cellular environment is emulated by maintaining an out-of-equilibrium environment in which the dynamic behavior of gene circuits can be investigated over extended periods of time. To fully exploit the multilayer microfluidic device, hardware and software have been integrated to automate the IVTT reactions. By combining IVTT reactions with the microfluidic platform presented here, it becomes possible to comprehensively analyze complex network behaviors, furthering our understanding of the mechanisms that regulate cellular processes.

The fabrication process of a PDMS-based, multilayer, microfluidic device that allows in vitro transcription and translation (IVTT) reactions to be performed over prolonged periods is described. Furthermore, a comprehensive overview of the hardware and software required to automate and maintain these reactions for prolonged durations is provided.

Eine multilayer mikrofluidische Plattform für die Leitung einer längeren zellfreien Genexpression

The limitations of cell-based synthetic biology are becoming increasingly apparent as researchers aim to develop larger and more complex synthetic genetic ...

A Microfluidic Platform for Stimulating Chondrocytes with Dynamic Compression

Mechanical stimuli are known to modulate biological functions of cells and tissues. Recent studies have suggested that compressive stress alters growth plate cartilage architecture and results in growth modulation of long bones of children. To determine the role of compressive stress in bone growth, we created a microfluidic device actuated by pneumatic pressure, to dynamically (or statically) compress growth plate chondrocytes embedded in alginate hydrogel cylinders. In this article, we describe detailed methods for fabricating and characterizing this device. The advantages of our protocol are: 1) Five different magnitudes of compressive stress can be generated on five technical replicates in a single platform, 2) It is easy to visualize cell morphology via a conventional light microscope, 3) Cells can be rapidly isolated from the device after compression to facilitate downstream assays, and 4) The platform can be applied to study mechanobiology of any cell type that can grow in hydrogels.

This article provides detailed methods for fabricating and characterizing a pneumatically actuating microfluidic device for chondrocyte compression.

Eine mikrofluidische Plattform zur Stimulierung von Chondrozyten mit dynamischer Kompression

Mechanical stimuli are known to modulate biological functions of cells and tissues. Recent studies have suggested that compressive stress alters growth ...