A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
פרוטוקול זה מדגים את השימוש בתעלה מיקרופלואידית עם שינוי גיאומטריה לאורך כיוון זרימת הנוזל כדי ליצור מאמץ מאריך (מתיחה) ליישור סיבים בהידרוג'ל קולגן תלת-ממדי (עובי <250 מיקרומטר). היישור המתקבל משתרע על פני מספר מילימטרים ומושפע מקצב המאמץ המתארך.
סיבי קולגן I מיושרים (COL1) מנחים את תנועתיות תאי הגידול, משפיעים על המורפולוגיה של תאי האנדותל, שולטים בהתמיינות תאי גזע והם סימן ההיכר של רקמות הלב והשרירים-שלד. כדי לחקור את תגובת התאים למיקרו-סביבות מיושרות במבחנה, פותחו מספר פרוטוקולים ליצירת מטריצות COL1 עם יישור סיבים מוגדר, כולל שיטות מגנטיות, מכניות, מבוססות תאים ומיקרופלואידיות. מבין אלה, גישות מיקרופלואידיות מציעות יכולות מתקדמות כגון שליטה מדויקת על זרימת הנוזלים והמיקרו-סביבה התאית. עם זאת, הגישות המיקרופלואידיות ליצירת מטריצות COL1 מיושרות עבור פלטפורמות מתקדמות של תרביות חוץ גופיות הוגבלו ל"מחצלות" דקות (<40 מיקרומטר עובי) של סיבי COL1 המשתרעים על פני מרחקים של פחות מ-500 מיקרומטר ואינם תורמים ליישומי תרביות תאים תלת-ממדיות. כאן, אנו מציגים פרוטוקול לייצור מטריצות 3D COL1 (130-250 מיקרומטר עובי) עם אזורים בקנה מידה מילימטרי של יישור סיבים מוגדר במכשיר מיקרופלואידי. פלטפורמה זו מספקת יכולות מתקדמות של תרביות תאים למדל מיקרו-סביבות רקמה מובנות על ידי מתן גישה ישירה למטריצה המהונדסת במיקרו עבור תרביות תאים.
התאים שוכנים ברשת סיבית תלת-ממדית מורכבת הנקראת מטריצה חוץ-תאית (ECM), שרובה מורכב מסוג קולגן חלבוני מבני I (COL1)1,2. התכונות הביופיזיקליות של ECM מספקות רמזי הנחיה לתאים, ובתגובה, תאים מעצבים מחדש את מיקרו-ארכיטקטורה ECM 3,4,5. אינטראקציות הדדיות אלה בין תאים למטריצות יכולות ליצור תחומי סיבים מיושרים של COL16 המקדמים אנגיוגנזה ופלישת תאים בסביבת הגידול 7,8,9 ומשפיעים על מורפולוגיה של התא 10,11,12, קיטוב 13 והתמיינות 14. סיבי קולגן מיושרים גם מקדמים ריפוי פצעים 15, ממלאים תפקיד מפתח בהתפתחות רקמות16 ותורמים לתקשורת תאים ארוכת טווח17,18. לכן, שכפול המיקרו-ארכיטקטורה המקורית של סיבי COL1 במבחנה הוא צעד חשוב לקראת פיתוח מודלים מובנים לחקר תגובות תאים למיקרו-סביבות מיושרות.
מערכות תרבית תאים מיקרופלואידיות הוקמו כטכנולוגיה מועדפת לפיתוח מערכות מיקרופיזיולוגיות (MPS)19,20,21,22,23. תוך מינוף השפעות חיוביות של קנה מידה מיקרומטרי, מערכות אלה מספקות שליטה מדויקת על זרימת נוזלים, תומכות בהחדרה מבוקרת של כוחות מכניים ומגדירות את המיקרו-סביבה הביוכימית בתוך מיקרו-ערוץ 21,24,25,26,27. פלטפורמות MPS שימשו למדל מיקרו-סביבות ספציפיות לרקמות ולחקור אינטראקציות מרובות איברים28. במקביל, הידרוג'לים נחקרו באופן נרחב כדי לשחזר את המכניקה התלת-ממדית וההשפעה הביולוגית של ECM שנצפו in vivo29,30. עם דגש הולך וגובר על שילוב תרבית תלת ממדית עם פלטפורמות מיקרופלואידיות, גישות רבות יכולות לשלב הידרוג'ל COL1 בהתקנים מיקרופלואידים31,32,33. עם זאת, השיטות ליישור הידרוג'לים COL1 בתעלות מיקרופלואידיות הוגבלו ל"מחצלות" דו-ממדיות דקות (<40 מיקרומטר עובי) בתעלות ברוחב <1 מ"מ), המציעות פוטנציאל מוגבל למדל תגובות תאים במיקרו-סביבות תלת-ממדיות מיושרות31,34,35,36.
כדי להשיג הידרוג'לים תלת-ממדיים COL1 מיושרים במערכת מיקרופלואידית, הוכח כי כאשר תמיסת COL1 בהרכבה עצמית נחשפת לזרימות הארכה מקומיות (שינוי מהירות לאורך כיוון הנחל), ההידרוג'לים COL1 המתקבלים מציגים מידה של יישור סיבים ביחס ישר לגודל קצב המאמץ המתרחב שהם חווים37, 38. עיצוב המיקרו-ערוצים בפרוטוקול זה ייחודי בשתי דרכים; ראשית, העיצוב המקוטע מציג מתח הארכה מקומי לפתרון COL1, ושנית, המבנה "של שני חלקים" מאפשר למשתמש ליישר סיבי COL1 ולאחר מכן לפרק את התעלה כדי לגשת ישירות לסיבים המיושרים בפורמט פתוח. גישה זו יכולה להיות מאומצת גם לפיתוח פלטפורמות מיקרופלואידיות מודולריות המפתחות מערכות מיקרופיזיולוגיות עם מטריצות COL1 מסודרות. הפרוטוקול הבא מתאר את תהליך ייצור מיקרו-ערוצים מפולחים ומפרט את השימוש בתעלות ליישור אטלו בקר COL1. פרוטוקול זה מספק גם הוראות לגידול תאים ב- COL1 בפורמט באר פתוחה ודן בהוספת פונקציונליות לפלטפורמה באמצעות שכבת בסיס מגנטית מודולרית.
1. ייצור ערוץ שני חלקים ובסיס פלטפורמה מודולרי
הערה: התעלה המיקרופלואידית בנויה משני חלקים – "מגרעת" התעלה המיקרופלואידית, שהיא חיתוך תער מיריעת פולי דימתיל סילוקסאן (PDMS) בעובי מוגדר, וכיסוי התעלה, שנקשר באופן הפיך למגרעת ויוצר את התעלה. התעלה מוקפת במסגרת פולי(מתיל מתקרילט) (PMMA) שתשמש כמאגר מדיה (איור 1). ניתן להשתמש במסגרת PMMA גם כדי להצמיד באופן מגנטי מודולים מיוחדים לקבלת פונקציונליות נוספת.
2. הזרקת תמיסת COL1 למיקרו-ערוץ והסרת הכיסוי ליישומי תרביות תאים
כאשר תמיסת COL1 בהרכבה עצמית זורמת דרך ערוץ עם שטח חתך הולך ופוחת, מהירות הזרם (v x) של תמיסת COL1 גדלה מקומית בגודל, ∂v x, לאורך ההתכווצות בין שני המקטעים (∂x), וכתוצאה מכך נוצר קצב מאמץ מאריך (ε̇) כאשר ε̇ = ∂v x/∂x. ניתן לחשב את קצב המאמץ המתרחב ממהירות הנוזל, אשר נמדדת באמצעות מהירו?...
פרוטוקולים ליצירת מטריצות COL1 עם סיבים מיושרים תוארו באמצעות שיטות מגנטיות, יישום ישיר של מתח מכני, וטכניקות מיקרופלואידיות47. גישות מיקרופלואידיות משמשות בדרך כלל ליצירת מערכות מיקרופיזיולוגיות בגלל מאפייני הזרימה וההובלה המוגדרים היטב שלהן, המאפשרים שליטה מדויקת על המיקר?...
כל המחברים מצהירים שאין אינטרסים מתחרים.
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי המכון הלאומי לבריאות תחת פרס מספר R21GM143658 ועל ידי הקרן הלאומית למדע תחת מענק מספר 2150798. התוכן הוא באחריות הכותבים בלבד ואינו מייצג בהכרח את העמדות הרשמיות של הגופים המממנים.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
(3-Aminopropyl)triethoxysilane, 99% (APTES) | Sigma Aldrich | 440140-100ML | |
20 Gauge IT Series Angled Dispensing Tip | Jensen Global | JG-20-1.0-90 | |
3/16" dia. x 1/16" thick Nickel Plated Magnet | KJ Magnetics | D31 | |
3M (TC) 12X12-6-467MP | DigiKey | 3M9726-ND | |
ACETONE ACS REAGENT ≥99.5% | Signa Aldrich | 179124-4L | |
BD-20AC LABORATORY CORONA TREATER | Electro-Technic Products | 12051A | |
Bovine Serum Albumin (BSA), Fraction V, 98%, Reagent Grade, Alfa Aesar | VWR | AAJ64100-09 | |
Clear cast acrylic sheet | McMaster-Carr | 8560K181 | |
Corning 100 mL Trypsin 10x, 2.5% Trypsin in HBSS [-] calcium, magnesium, phenol red, Porcine Parvovirus Tested | VWR | 45000-666 | |
Countess II Automated Cell Counter | Thermo Fisher Scientific | AMQAX1000 | |
CT-FIRE software | LOCI - University of Wisconsin | ||
EGM-2 Endothelial Cell Growth Medium-2 BulletKit, (CC-3156 & CC-4176), Lonza CC-3162, 500 mL | Lonza | CC-3162 | |
Glutaraldehyde 50% in aqueous solution, Reagent Grade, Packaging=HDPE Bottle, Size=100 mL | VWR | VWRV0875-100ML | |
Graphtec CELITE-50 | Graphtec | CE LITE-50 | |
HEPES (1 M) | Thermo Fisher Scientific | 15-630-080 | |
High-Purity Silicone Rubber .010" Thick, 6" X 8" Sheet, 55A Durometer | McMaster-Carr | 87315K62 | |
Human Umbilical Vein Endothelial cells | Thermo Fisher Scientific | C0035C | |
Invitrogen Trypan Blue Stain (0.4%) | Thermo Fisher Scientific | T10282 | |
Isopropanol | Fisher Scientific | A4154 | |
Laser cutter | Full Spectrum | 20x12 H-series | |
Microfluidics Syringe pump | New Era Syringe Pumps | NE-1002X | |
Microman E Single Channel Pipettor, Gilson, Model M1000E | Gilson | FD10006 | |
Molecular Probes Alexa Fluor 488 Phalloidin | Thermo Fisher Scientific | A12379 | |
Molecular Probes Hoechst 33342, Trihydrochloride, Trihydrate | Thermo Fisher Scientific | H3570 | |
Nutragen Bovine Atelo Collagen | Advanced BioMatrix | 5010-50ML | |
Pbs (10x), pH 7.4 | VWR | 70011044.00 | |
PBS pH 7.4 | Thermo Fisher Scientific | 10010049.00 | |
Phosphate-buffered saline (PBS, 10x), with Triton X-100 | Alfa Aesar | J63521 | |
Replacement carrier sheet for graphtec craft ROBO CC330L-20 | USCUTTER | GRPCARSHTN | |
Restek Norm-Ject Plastic Syringe 1 mL Luer Slip | Restek | 22766.00 | |
Silicon wafer | University wafer | 452 | |
Sodium Hydroxide, ACS, Packaging=Poly Bottle, Size=500 g | VWR | BDH9292-500G | |
Sylgard 184 | VWR | 102092-312 | |
Thermo Scientific Pierce 20x PBS Tween 20 | Thermo Fisher Scientific | 28352.00 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved