Microengineering 3D kollagenhydrogeler med langdistanse fiberjustering

Denne protokollen demonstrerer bruken av en mikrofluidisk kanal med endring av geometri langs væskestrømningsretningen for å generere ekstensjonsbelastning (strekking) for å justere fibre i en 3D-kollagenhydrogel (<250 μm i tykkelse). Den resulterende justeringen strekker seg over flere millimeter og påvirkes av ekstensjonsbelastningshastigheten.

Justert kollagen I (COL1) fibre veileder tumorcellemotilitet, påvirker endotelcellemorfologi, kontrollstamcelledifferensiering, og er et kjennetegn på hjerte- og muskelskjelettvev. For å studere cellerespons på justerte mikromiljøer in vitro har flere protokoller blitt utviklet for å generere COL1-matriser med definert fiberjustering, inkludert magnetiske, mekaniske, cellebaserte og mikrofluidiske metoder. Av disse tilbyr mikrofluidiske tilnærminger avanserte evner som nøyaktig kontroll over væskestrømmer og det cellulære mikromiljøet. Imidlertid har de mikrofluidiske tilnærmingene for å generere justerte COL1-matriser for avanserte in vitro-kulturplattformer vært begrenset til tynne "matter" (<40 μm i tykkelse) av COL1-fibre som strekker seg over avstander mindre enn 500 μm og ikke bidrar til 3D-cellekulturapplikasjoner. Her presenterer vi en protokoll for å fremstille 3D COL1-matriser (130-250 μm i tykkelse) med millimeterskalaregioner med definert fiberjustering i en mikrofluidisk enhet. Denne plattformen gir avanserte cellekulturfunksjoner for å modellere strukturerte vevsmikromiljøer ved å gi direkte tilgang til den mikrokonstruerte matrisen for cellekultur.

Celler bor i et komplekst 3D-fibrøst nettverk kalt den ekstracellulære matrisen (ECM), hvorav hoveddelen består av det strukturelle proteinkollagen type I (COL1) ^1,2. De biofysiske egenskapene til ECM gir veiledende signaler til celler, og som svar omdanner celler ECM-mikroarkitekturen ^3,4,5. Disse gjensidige cellematriseinteraksjonene kan gi opphav til justerte COL1-fiberdomener⁶ som fremmer angiogenese og celleinvasjon i tumormiljøet ^7,8,9 og påvi....

1. Fabrikasjon av den todelte kanalen og modulære plattformbasen

MERK: Den mikrofluidiske kanalen er konstruert ved hjelp av to deler - den mikrofluidiske kanalen "cutout", som er barberhøvel kuttet fra et polydimetylsiloksan (PDMS) ark med definert tykkelse, og kanaldekselet, som reversibelt binder seg til utskjæringen og danner kanalen. Kanalen er omgitt av en poly (metylmetakrylat) (PMMA) ramme som vil fungere som et mediereservoar (figur 1). .......

Når en selvmonterende COL1-løsning strømmer gjennom en kanal med avtagende tverrsnittsareal, øker strømhastigheten (v x) til COL1-løsningen lokalt med en størrelse, ∂v x, langs lengden av innsnevringen mellom de to segmentene (∂x), noe som resulterer i en ekstensjonsbelastningshastighet (ε̇) hvor ε̇ = ∂v x/∂_x. Den ekstensjonelle belastningshastigheten kan beregnes ut fra væskehastigheten, som måles ved hjelp av partikkelbildehastighet (PIV), som vist i

Protokoller for å generere COL1-matriser med justerte fibre har blitt beskrevet ved hjelp av magnetiske metoder, direkte anvendelse av mekanisk belastning og mikrofluidiske teknikker⁴⁷. Mikrofluidiske tilnærminger brukes ofte til å skape mikrofysiologiske systemer på grunn av deres veldefinerte strømnings- og transportegenskaper, noe som muliggjør presis kontroll over det biokjemiske mikromiljøet. Siden justerte COL1-fibre gir viktige instruktive signaler under patofysiologiske prosesser so.......

Dette arbeidet ble støttet delvis av National Institute of Health under tildelingsnummer R21GM143658 og av National Science Foundation under tilskuddsnummer 2150798. Innholdet er utelukkende forfatternes ansvar og representerer ikke nødvendigvis de offisielle synspunktene til finansieringsorganene.