Microengineering 3D kollagenhydrogeler med langtrækkende fiberjustering

Denne protokol demonstrerer brugen af en mikrofluidisk kanal med skiftende geometri langs væskestrømningsretningen for at generere ekstensionel belastning (strækning) for at justere fibre i en 3D-kollagenhydrogel (<250 μm i tykkelse). Den resulterende justering strækker sig over flere millimeter og påvirkes af den ekstensionelle belastningshastighed.

Justerede kollagen I (COL1) fibre styrer tumorcellemotilitet, påvirker endotelcellemorfologi, styrer stamcelledifferentiering og er et kendetegn for hjerte- og muskuloskeletale væv. For at studere cellerespons på justerede mikromiljøer in vitro er der udviklet flere protokoller til at generere COL1-matricer med defineret fiberjustering, herunder magnetiske, mekaniske, cellebaserede og mikrofluidiske metoder. Af disse tilbyder mikrofluidiske tilgange avancerede muligheder såsom nøjagtig kontrol over væskestrømme og det cellulære mikromiljø. Imidlertid har de mikrofluidiske tilgange til generering af justerede COL1-matricer til avancerede in vitro-kulturplatforme været begrænset til tynde "måtter" (<40 μm i tykkelse) af COL1-fibre, der strækker sig over afstande mindre end 500 μm og ikke er befordrende for 3D-cellekulturapplikationer. Her præsenterer vi en protokol til fremstilling af 3D COL1-matricer (130-250 μm i tykkelse) med millimeterskalaområder med defineret fiberjustering i en mikrofluidisk enhed. Denne platform giver avancerede cellekulturfunktioner til modellering af strukturerede vævsmikromiljøer ved at give direkte adgang til den mikrokonstruerede matrix til cellekultur.

Celler befinder sig i et komplekst 3D-fibrøst netværk kaldet den ekstracellulære matrix (ECM), hvoraf hovedparten består af det strukturelle protein kollagen type I (COL1^)1,2. ECM's biofysiske egenskaber giver vejledende signaler til celler, og som svar ombygger celler ECM-mikroarkitekturen ^3,4,5. Disse gensidige celle-matrix-interaktioner kan give anledning til justerede COL1-fiberdomæner⁶, der fremmer angiogenese og celleinvasion i tumormiljøet ^7,8,9

1. Fremstilling af den todelte kanal og modulære platformbase

BEMÆRK: Den mikrofluidiske kanal er konstrueret ved hjælp af to dele - den mikrofluidiske kanal "udskæring", som er barberbladsskåret fra et polydimethylsiloxan (PDMS) ark med defineret tykkelse, og kanaldækslet, som reversibelt binder til udskæringen og danner kanalen. Kanalen er omgivet af en poly (methylmethacrylat) (PMMA) ramme, der fungerer som et mediereservoir (figur 1). PMM.......

Når en selvsamlende COL1-opløsning strømmer gennem en kanal med faldende tværsnitsareal, øges COL1-opløsningens strømvise hastighed (v x) lokalt med en størrelsesorden ∂v x langs længden af indsnævringen mellem de to segmenter (∂x), hvilket resulterer i en ekstensionel belastningshastighed (ε̇), hvor ε̇ = ∂v x/∂_x. Den ekstensive belastningshastighed kan beregnes ud fra væskehastigheden, som måles ved hjælp af partikelbilledhastighed (PIV), som vist i

Protokoller til generering af COL1-matricer med justerede fibre er blevet beskrevet ved hjælp af magnetiske metoder, direkte anvendelse af mekanisk stamme og mikrofluidiske teknikker⁴⁷. Mikrofluidiske tilgange bruges almindeligvis til at skabe mikrofysiologiske systemer på grund af deres veldefinerede strømnings- og transportegenskaber, som muliggør præcis kontrol over det biokemiske mikromiljø. Da justerede COL1-fibre giver vigtige lærerige signaler under patofysiologiske processer såsom .......

Dette arbejde blev delvist støttet af National Institute of Health under tildelingsnummer R21GM143658 og af National Science Foundation under bevillingsnummer 2150798. Indholdet er udelukkende forfatternes ansvar og repræsenterer ikke nødvendigvis finansieringsorganernes officielle synspunkter.