Name: multi-stream perfusion bioreactor integrated with outlet fractionation for dynamic cell culture
Uploaded: 2022-07-20T13:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Multi-Stream Perfusion Bioreactor Integrated with Outlet Fractionation for Dynamic Cell Culture at JoVE.com

מחקר זה נערך בתמיכה תחת גרנט מס'. R01EB012521, R01EB028782 ו- T32 GM008339 מהמכונים הלאומיים לבריאות.

1. הכינו חלקים לזלוף צלחות היטב
<ol><li>הכנת צינורות<ol>
<li>חותכים שני אורכים של צינורות סיליקון (קוטר פנימי של 1.6 מ"מ) כדי שכל תרבית תאים תיחרב. ודא שהיצירה המשמשת כצינור במעלה הזרם ארוכה מספיק כדי להגיע ממשאבת המזרק לתרבית התאים בתוך האינקובטור, ושהחלק במורד הזרם יכול להגיע מתרבית התא?...

<ol>
	<li>Welsh, D. K., Yoo, S. H., Liu, A. C., Takahashi, J. S., Kay, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioluminescence+imaging+of+individual+fibroblasts+reveals+persistent,+independently+phased+circadian+rhythms+of+clock+gene+expression.">Bioluminescence imaging of individual fibroblasts reveals persistent, independently phased circadian rhythms of clock gene expression.</a> Current Biology. 14 (24), 2289-2295 (2004).</li><li>Talaei, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+mathematical+model+of+the+dynamics+of+cytokine+expression+and+human+immune+cell+activation+in+response+to+the+pathogen+Staphylococcus+aureus.">A mathematical model of the dynamics of cytokine expression and human immune cell activation in response to the pathogen Staphylococcus aureus.</a> Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 11, 711153 (2021).</li><li>Kemas, A. M., Youhanna, S., Zandi Shafagh, R., Lauschke, V. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Insulin-dependent+glucose+consumption+dynamics+in+3D+primary+human+liver+cultures+measured+by+a+sensitive+and+specific+glucose+sensor+with+nanoliter+input+volume.">Insulin-dependent glucose consumption dynamics in 3D primary human liver cultures measured by a sensitive and specific glucose sensor with nanoliter input volume.</a> FASEB Journal. 35 (3), 21305 (2021).</li><li>Muzzey, D., van Oudenaarden, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+time-lapse+fluorescence+microscopy+in+single+cells.">Quantitative time-lapse fluorescence microscopy in single cells.</a> Annual Review of Cell and Developmental Biology. 25, 301-327 (2009).</li><li>Calligaro, H., Kinane, C., Bennis, M., Coutanson, C., Dkhissi-Benyahya, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+standardized+method+to+assess+the+endogenous+activity+and+the+light-response+of+the+retinal+clock+in+mammals.">A standardized method to assess the endogenous activity and the light-response of the retinal clock in mammals.</a> Molecular Vision. 26, 106-116 (2020).</li><li>Battat, S., Weitz, D. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+outlook+on+microfluidics:+the+promise+and+the+challenge.">An outlook on microfluidics: the promise and the challenge.</a> Lab on a Chip. 22 (3), 530-536 (2022).</li><li>Petrenko, V., Saini, C., Perrin, L., Dibner, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parallel+measurement+of+circadian+clock+gene+expression+and+hormone+secretion+in+human+primary+cell+cultures.">Parallel measurement of circadian clock gene expression and hormone secretion in human primary cell cultures.</a> Journal of Visualized Experiments. (117), e54673 (2016).</li><li>Yamagishi, K., Enomoto, T., Ohmiya, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Perfusion-culture-based+secreted+bioluminescence+reporter+assay+in+living+cells.">Perfusion-culture-based secreted bioluminescence reporter assay in living cells.</a> Analytical Biochemistry. 354 (1), 15-21 (2006).</li><li>Watanabe, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multichannel+perfusion+culture+bioluminescence+reporter+system+for+long-term+detection+in+living+cells.">Multichannel perfusion culture bioluminescence reporter system for long-term detection in living cells.</a> Analytical Biochemistry. 402 (1), 107-109 (2010).</li><li>Murakami, N., Nakamura, H., Nishi, R., Marumoto, N., Nasu, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+circadian+oscillation+of+melatonin+release+in+pineal+cells+of+house+sparrow,+pigeon+and+Japanese+quail,+using+cell+perfusion+systems.">Comparison of circadian oscillation of melatonin release in pineal cells of house sparrow, pigeon and Japanese quail, using cell perfusion systems.</a> Brain Research. 651 (1-2), 209-214 (1994).</li><li>Erickson, P., Houwayek, T., Burr, A., Teryek, M., Parekkadan, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+continuous+flow+cell+culture+system+for+precision+cell+stimulation+and+time-resolved+profiling+of+cell+secretion.">A continuous flow cell culture system for precision cell stimulation and time-resolved profiling of cell secretion.</a> Analytical Biochemistry. 625, 114213 (2021).</li><li>Saltzman, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Drug Delivery: Engineering Principles for Drug Therapy. , (2001).</li><li>Fogler, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Elements of Chemical Reaction Engineering. 4th edn. , (2006).</li><li>Conesa, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Chemical Reactor Design: Mathematical Modeling and Applications. , (2019).</li><li>Toson, P., Doshi, P., Jajcevic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Explicit+residence+time+distribution+of+a+generalised+cascade+of+continuous+stirred+tank+reactors+for+a+description+of+short+recirculation+time+(bypassing).">Explicit residence time distribution of a generalised cascade of continuous stirred tank reactors for a description of short recirculation time (bypassing).</a> Processes. 7 (9), 615 (2019).</li><li>Tamayo, A. G., Shukor, S., Burr, A., Erickson, P., Parekkadan, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tracking+leukemic+T-cell+transcriptional+dynamics+in+vivo+with+a+blood-based+reporter+assay.">Tracking leukemic T-cell transcriptional dynamics in vivo with a blood-based reporter assay.</a> FEBS Open Biology. 10 (9), 1868-1879 (2020).</li><li>Newell, B., Bailey, J., Islam, A., Hopkins, L., Lant, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterising+bioreactor+mixing+with+residence+time+distribution+(RTD)+tests.">Characterising bioreactor mixing with residence time distribution (RTD) tests.</a> Water Science and Technology. 37 (12), 43-47 (1998).</li><li>Dubois, J., Tremblay, L., Lepage, M., Vermette, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+dynamics+within+a+bioreactor+for+tissue+engineering+by+residence+time+distribution+analysis+combined+with+fluorescence+and+magnetic+resonance+imaging+to+investigate+forced+permeability+and+apparent+diffusion+coefficient+in+a+perfusion+cell+culture+chamber.">Flow dynamics within a bioreactor for tissue engineering by residence time distribution analysis combined with fluorescence and magnetic resonance imaging to investigate forced permeability and apparent diffusion coefficient in a perfusion cell culture chamber.</a> Biotechnology and Bioengineering. 108 (10), 2488-2498 (2011).</li><li>Gaida, L. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+and+gas+residence+time+distribution+in+a+two-stage+bioreactor+with+cell+recycle.">Liquid and gas residence time distribution in a two-stage bioreactor with cell recycle.</a> HAL Open Science. , (2008).</li><li>Rodrigues, M. E., Costa, A. R., Henriques, M., Azeredo, J., Oliveira, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wave+characterization+for+mammalian+cell+culture:+residence+time+distribution.">Wave characterization for mammalian cell culture: residence time distribution.</a> New Biotechnology. 29 (3), 402-408 (2012).</li><li>Olivet, D., Valls, J., Gordillo, M. A., Freix&#243;, A., S&#225;nchez, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+residence+time+distribution+technique+to+the+study+of+the+hydrodynamic+behaviour+of+a+full-scale+wastewater+treatment+plant+plug-flow+bioreactor.">Application of residence time distribution technique to the study of the hydrodynamic behaviour of a full-scale wastewater treatment plant plug-flow bioreactor.</a> Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 80 (4), 425-432 (2005).</li></ol>

עבודה זו מתארת את ההרכבה והתפעול של מערכת תרביות תאים פרפוזיה עם מספר מקורות בינוניים שהוכחו באמצעות דוגמה ספציפית שבה נמדדה הדינמיקה של ביטוי גנים מונעי NF-κB בתגובה לדופק חולף של TNF-α. ה-RTDs של רכיבי מערכת הזלוף נמדדו והודגמו, וקונבולוציית האותות שימשה כדי לחזות הן את חשיפת התאים לפולס TNF-α ?...

תהליכים ביולוגיים חשובים רבים מתרחשים בתרביות תאים ורקמות על ציר הזמן של דקות עדשעות 1,2,3. בעוד שחלק מהתופעות הללו עשויות להיות נצפות ומתועדות באופן אוטומטי באמצעות מיקרוסקופיה בהילוך מהיר4, ביולומינסנציה1 או שיטות אחרות, ניסויים הכוללים איסוף דגימות-על של תרביות לצורך אנליזה כימית מבוצעים לעתים קרובות באופן ידני בתרביות תאים סטטיות. דגימה ידנית מגבילה את ההיתכנות של מחקרים מסוימים בשל אי הנוחות של נקודות זמן דגימה תכופות או לאחר שעות העבודה. חסרונות נוספים של שיטות תרבית סטטיות כוללים ניסויים הכוללים חשיפות מבוקרות וחולפות לגירויים כימיים. בתרביות סטטיות, יש להוסיף ולהסיר גירויים באופן ידני, ופרופילי הגירוי מוגבלים לשינויי צעדים לאורך זמן, בעוד ששינויים בינוניים גם מוסיפים ומסירים רכיבים בינוניים אחרים, שיכולים להשפיע על תאים באופן בלתי מבוקר5. מערכות נוזליות יכולות להתגבר על אתגרים אלה, אך מכשירים קיימים מציבים אתגרים אחרים. התקנים מיקרופלואידיים מגיעים עם העלויות הגבוהות של ציוד מיוחד והכשרה לייצור ושימוש, דורשים שיטות מיקרואנליטיות לעיבוד דגימות, ותאים קשים להתאושש מהמכשירים לאחר זלוף6. מעט מערכות מקרופלואידיות נוצרו עבור סוגי הניסויים המתוארים כאן 7,8,9,10, והן בנויות ממספר חלקים מותאמים אישית המיוצרים בתוך הבית ודורשים משאבות מרובות או אספני שברים. יתר על כן, המחברים אינם מודעים למערכות תרביות תאי פרפוזיה מקרופלואידיות הזמינות באופן מסחרי, למעט ביוריאקטורים של מיכלים מעורבבים לתרבית השעיה, אשר שימושיים לייצור ביולוגי, אם כי אינם מיועדים למידול וחקר פיזיולוגיה.
המחברים דיווחו בעבר על תכנון של מערכת ביוריאקטור פרפוזיה בעלות נמוכה המורכבת כמעט כולה מחלקים מסחרייםזמינים 11. גרסת הבסיס של המערכת מאפשרת לשמור תרביות מרובות בלוחית באר בחממת CO2 ולחדור באופן רציף עם מדיום ממשאבת מזרק, בעוד שזרמי המדיום השפכים מהתרביות מחולקים באופן אוטומטי לדגימות לאורך זמן באמצעות אספן שברים עם שינוי מותאם אישית. לפיכך, מערכת זו מאפשרת דגימה אוטומטית של תרבית בינונית סופר-נאטנטית וקלט מומס רציף לתרבויות לאורך זמן. המערכת היא מקרופלואידית ומודולרית וניתנת לשינוי בקלות כדי לענות על הצרכים של תכנוני ניסוי חדשניים.
המטרה הכוללת של השיטה המוצגת כאן היא לבנות, לאפיין ולהשתמש במערכת תרביות תאים פרפוזיה המאפשרת ניסויים שבהם נמדדים שיעורי ההפרשה או הקליטה של חומרים על ידי תאים לאורך זמן, ו/או תאים נחשפים לאותות מומסים מדויקים וחולפים. מאמר וידאו זה מסביר כיצד להרכיב את מערך הבסיס, המסוגל לחדור עד שש תרביות תאים בו זמנית באמצעות משאבת מזרק אחת ואספן שברים שונה. שתי גרסאות שימושיות במערכת הבסיס שעושות שימוש במשאבות ובחלקים נוספים כדי לאפשר ניסויים שחושפים את התאים לאותות ריכוז מומס חולפים, כולל פולסים קצרים ופרופילים דמויי פרמקוקינטיים12, מוצגים גם הם באיור 1.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63935/63935fig01.jpg"> איור 1: שלוש וריאציות על תכנון מערכת הזלוף. (באמצע) מערכת הזלוף עם סטופקוק למספר מקורות בינוניים. (למטה) מערכת הזלוף עם מיכל מעורבב כדי לחקות נפח מעורבב היטב של התפלגות. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63935/63935fig01large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>
עקב פיזור ודיפוזיה בתוך הזרימה, אותות המומס מתעוותים או "נמרחים" כשהם נעים במערכת הזרימה. ניתן לכמת עיוות זה באמצעות שימוש בהתפלגויות זמן מגורים (RTDs)13. מאמר זה מסביר כיצד לבצע ניסויי מעקב על רכיבים של מערכת הזלוף (איור 2), ומספק סקריפטים של MATLAB ליצירת RTDs מנתונים שנמדדו. הסבר מפורט לניתוח זה ניתן למצוא במאמרם הקודם של המחברים11. סקריפטים נוספים של MATLAB מתאימים לפונקציות המתאימות ל-RTDs ומחלצים פרמטרים פיזיקליים, ומבצעים קונבולוציה של אותות אות באמצעות RTDs כדי לחזות כיצד קלט אות המומס על ידי המשתמש יפיץ ויעוות דרך מערכת הזלוף14.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/63935/63935fig02.jpg"> איור 2: התפלגויות זמן מגורים. ה-RTDs של רכיבי מערכת הזרימה, כגון אורך זה של צינורות, נמדדים על ידי הזנת פולס של עוקבים למערכת ומדידת האופן שבו הוא "נמרח" עד שהוא יוצא לשברים שנאספו. נתון זה שונה מ-Erickson et al.11. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/63935/63935fig02large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>18 Gauge 1 1/2- in Disposable Probe Needle For Use With Syringes and Dispensing Machines</td>
			<td>Grainger</td>
			<td>5FVK2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>293T Cells</td>
			<td>ATCC</td>
			<td>CRL-3216</td>
			<td>HEK 293T cells used in the Representative Results experiment.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-Well Clear Bottom Plates, Corning</td>
			<td>VWR</td>
			<td>89091-010</td>
			<td>Plates for measuring dye concentrations in RTD experiments and GLuc in representative results experiment.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BD&#160;Disposable Syringes with Luer-Lok Tips, 5 mL</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-829-45</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BioFrac Fraction Collector&#160;</td>
			<td>Bio-Rad</td>
			<td>7410002</td>
			<td>Fraction collector that can be used for a single stream, or modified using our method to enable collection from multiple streams.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clear High-Strength UV-Resistant Acrylic 12&#34; x 12&#34; x 1/8&#34;</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>4615T93</td>
			<td>This sheet is cut using a laser cutter according to the DXF file in the supplemental materials to produce the multi-head dispenser that can be attached to the BioFrac fraction collector.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coelenterazine native</td>
			<td>NanoLight Technology</td>
			<td>303</td>
			<td>Substrate used in Gaussia luciferase bioluminescence assay in representative results.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corning Costar TC-Treated Multiple Well Plates, size 48&#160;wells, polystyrene plate, flat bottom wells</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>CLS3548</td>
			<td>Used to grow and perfuse 293T cells in representative results.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corning&#160;Costar Flat Bottom Cell Culture Plates, size 12 wells</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>720081</td>
			<td>Can be plugged and used as a stirred tank to produce pharmacokinetic profiles in perfusion. Can also contain cells for perfusion.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM, high glucose</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>11965126</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epilog Zing 24 Laser</td>
			<td>Cutting Edge Systems</td>
			<td>Epilog Zing 24</td>
			<td>Laser cutter used to produce multi-head dispenser from acrylic sheet. Other laser cutters may be used.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fisherbrand Sterile Syringes for Single Use, Luer-Lock, 20 mL</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-955-460</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fisherbrand Sterile Syringes for Single Use, Luer-Lock, 60 mL</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-955-461</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fisherbrand Premium Microcentrifuge Tubes: 1.5mL</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>05-408-129</td>
			<td>Microcentrifuge tubes for collecting fractions.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fisherbrand&#160;Round Bottom Disposable Borosilicate Glass Tubes with Plain End</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-961-26</td>
			<td>Glass tubes for collecting fractions.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fisherbrand&#160;SureOne Micropoint Pipette Tips, Universal Fit, Non-Filtered</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>2707410</td>
			<td>300 ul pipette tips that best fit the multi-head dispenser and tubing to act as dispensing tips.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gibco&#160;DPBS, powder, no calcium, no magnesium</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>21600010</td>
			<td>Phosphate buffered saline.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Labline 4625 Titer Shaker</td>
			<td>Marshall Scientific</td>
			<td>Labline 4625 Titer Shaker</td>
			<td>Orbital shaker used to keep stirred tanks mixed.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex Fitting, Polycarbonate, Four-Way Stopcock, Male Luer Lock, Non-Sterile; 10/PK</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-30600-04</td>
			<td>Used to join multiple inlet streams for RTD experiments and cell culture experiments.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex Fitting, Polycarbonate, Straight, Female Luer x Cap; 25/PK</td>
			<td>Masterflex</td>
			<td>UX-45501-28</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex Fitting, Polypropylene, Straight, Female Luer to Hosebarb Adapters, 1/16&#34;</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-45508-00</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex Fitting, Polypropylene, Straight, Male Luer Lock to Hosebarb Adapter, 1/16&#34; ID</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-45518-00</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex Fitting, Polypropylene, Straight, Male Luer Lock to Plug Adapter; 25/PK</td>
			<td>Masterflex</td>
			<td>EW-30800-30</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Masterflex L/S Precision Pump Tubing, Platinum-Cured Silicone, L/S 14; 25 ft</td>
			<td>Masterflex</td>
			<td>EW-96410-14</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>R2019b</td>
			<td>Version R2019b. Newer versions may also be used. Some older versions may work.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NE-1600 Six Channel Programmable Syringe Pump</td>
			<td>New Era Pump Systems</td>
			<td>NE-1600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rack Set F1</td>
			<td>Bio-Rad</td>
			<td>7410010</td>
			<td>Racks to hold collecting tubes in the fraction collector.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Recombinant Human TNF-alpha (HEK293-expressed) Protein, CF</td>
			<td>Bio-Techne</td>
			<td>10291-TA-020</td>
			<td>Cytokine used to stimulate 293T cells in representative results.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Saint Gobain Solid Stoppers, Versilic Silicone, Size: 00, Bottom 10.5mm</td>
			<td>Saint Gobain</td>
			<td>DX263015-50</td>
			<td>Fits 48-well plates.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Saint Gobain Solid Stoppers, Versilic Silicone, Size: 4 Bottom 21mm</td>
			<td>Saint Gobain</td>
			<td>DX263027-10</td>
			<td>Fits 12-well plates.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Hydroxide, 10.0 N Aqueous Solution APHA; 1 L</td>
			<td>Spectrum Chemicals</td>
			<td>S-395-1LT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SolidWorks</td>
			<td>Dassault Systems</td>
			<td>SolidWorks</td>
			<td>CAD software used to create the multi-head dispenser DXF file.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Varioskan LUX multimode microplate reader</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>VL0000D0</td>
			<td>Plate reader.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wilton Color Right Performance Color System Base Refill, Blue</td>
			<td>Michaels</td>
			<td>10404779</td>
			<td>Blue food dye containing Brilliant Blue FCF, used as a tracer in RTD experiments. Absorbance spectrum peaks at 628 nm.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

multi-stream perfusion bioreactor integrated with outlet fractionation for dynamic cell culture

תפקודים מסוימים של תאים ורקמות פועלים בסולם הזמן הדינמי של דקות עד שעות שנפתרות בצורה גרועה על ידי מערכות תרביות קונבנציונליות. עבודה זו פיתחה מערכת ביוריאקטורים של פרפוזיה בעלות נמוכה המאפשרת להחדיר את מדיום התרבית באופן רציף למודול תרבית תאים ולפצל אותו במודול במורד הזרם כדי למדוד דינמיקה בקנה מידה זה. המערכת בנויה כמעט כולה מחלקים זמינים מסחרית וניתן להקביל אותה כדי לערוך ניסויים עצמאיים בלוחות תרבית תאים קונבנציונליים מרובי בארות בו זמנית. מאמר וידאו זה מדגים כיצד להרכיב את מערך הבסיס, הדורש רק משאבת מזרק רב-ערוצית אחת ואספן שברים שונה כדי להחדיר עד שש תרבויות במקביל. כמו כן, מוצגות גרסאות שימושיות על העיצוב המודולרי המאפשרות דינמיקת גירוי מבוקרת, כגון פולסים מומסים או פרופילים דמויי פרמקוקינטיים. חשוב לציין, כאשר אותות מומסים נעים במערכת, הם מעוותים עקב פיזור מומס. יתר על כן, מתוארת שיטה למדידת התפלגויות זמן המגורים (RTDs) של רכיבי הגדרת הזלוף באמצעות עקיבה באמצעות MATLAB. RTDs שימושיים לחישוב האופן שבו אותות מומסים מעוותים על ידי הזרימה במערכת מרובת התאים. מערכת זו חזקה מאוד וניתנת לשחזור, כך שחוקרים בסיסיים יכולים לאמץ אותה בקלות ללא צורך במתקני ייצור מיוחדים.

מערכת הזלוף עם מספר מקורות בינוניים מסעיף 5 של הפרוטוקול שימשה למדידת דינמיקת הביטוי של גן מדווח המונעת על ידי גורם הגרעין kappa-light-משפר-שרשרת של גורם שעתוק של תאי B פעילים (NF-κB) בתאי כליה עוברית אנושית 293 (HEK293) בתגובה לפולס של 1.5 שעות של גורם נמק גידול אלפא (TNF-α). תאי HEK293 הומרו ביציבות באמצעות וק?...

Watch this Scientific Journal Video about Multi-Stream Perfusion Bioreactor Integrated with Outlet Fractionation for Dynamic Cell Culture at JoVE.com

Multi-Stream Perfusion Bioreactor Integrated with Outlet Fractionation for Dynamic Cell Culture

מאמר זה מציג שיטה לבנייה והפעלה של מערכת תרבית תאים רב-ערוצית רב-ערוצית בעלות נמוכה למדידת הדינמיקה של הפרשה וקצבי ספיגה של מומסים בתהליכים תאיים. המערכת יכולה גם לחשוף תאים לפרופילי גירוי דינמיים.

ביוריאקטור פרפוזיה מרובה זרמים משולב עם פיצול מוצא לתרבית תאים דינמית

Certain cell and tissue functions operate within the dynamic time scale of minutes to hours that are poorly resolved by conventional culture systems. This ...

שיטה זו מסייעת להבין כיצד שיעורי ההפרשה משתנים עם הזמן וכיצד תאים מגיבים לאותות מוצקים משתנים בזמן. היתרונות העיקריים של טכניקה זו הם שעלותה הנמוכה, דורשת הכשרה מועטה וניתן להתאים את מערך מערכת השפע לניסויים חדשניים. התחילו במילוי מזרק אחד בתמיסת רקע וטענו אותו למשאבת המזרקים הראשונה.מלאו מזרק נוסף בתמיסת מעקב וטענו אותו למשאבת המזרק השנייה. חבר את שני המזרקים לשתיים מתוך שלוש היציאות של תחנה לארבעה כיוונים באמצעות מחברי luer. סגור את ה-stopcock לתמיסת הרקע ושאב את תמיסת העקיבה לתוך ה-stopcock עד שהוא מטפטף החוצה מהיציאה הפתוחה.עצור את המשאבה ואל תכוונן את המזרק עוד יותר. ודא שהמוט הנע של משאבות המזרקים נדחף כלפי מעלה כנגד בוכנות המזרק כך שהזרימה תתחיל מיד עם הפעלת המשאבה. סגור את ה-stopcock לתמיסת העקיבה ושאב את תמיסת הרקע לתוך ה-stopcock עד שכל תמיסת המעקב השיורית תשטוף מהיציאה הפתוחה.עצור את המשאבה ואל תכוונן את המזרק עוד יותר. הגדר את רכיב מערכת הזרימה הרצוי לניתוח RTD. הכנס את הקצה למתקן קצה פיפטה ושאב תמיסת רקע דרך הרכיב עד שהוא מתמלא לחלוטין.הגדר את המשאבה עבור תמיסת המעקב לקצב הזרימה הרצוי. סגור את ה-stopcock לתמיסת הרקע והתחל את הזרימה של תמיסת העקיבה. במקביל, הפעל את אספן השברים.המשך את זרימת תמיסת העקיבה למשך פרק זמן קצר כדי להעריך קלט דחף של העקיבה. משך דופק של 10 דקות מומלץ עבור RTDs בקצב זרימה של מיליליטר אחד לשעה. עצרו את משאבת תמיסת העקיבה בסוף תקופת הדופק של תמיסת העקיבה.סגור במהירות את ה- stopcock לפתרון המעקב והתחל את הזרימה של תמיסת הרקע באותו קצב זרימה. אפשרו לפתרון הרקע לזרום ולאסוף שברים עד שכל העקיבה תעבור דרך המערכת ולתוך השברים שנאספו. בתנאים סטריליים, מכניסים את הפקקים עם המחטים לתרביות הצלחת של הבאר עם המחטים נמשכות למעלה.לאחר שהפקק נמצא במקומו, הורידו את המחטים לגובה הרצוי לצורך זלוף מכיוון שגובה מחט היציאה קובע את רמת הנוזל היציבה. מכסים את המחטים בכובעים זכריים ושומרים את כל לוח הבאר באינקובטור שנקבע על 37 מעלות צלזיוס עד לשימוש. הכינו את שתי המדיות שישמשו לזלוף, תוך תיוג המדיום שיחולק תחילה כאחת והשנייה כמדיום שתיים.כדי שכל תרבית תפורע, מלאו מזרק אחד במזרק בינוני כדי להחזיק מעמד לאורך כל משך החלוקה שלו בתוספת נפח מספיק כדי למלא בתחילה את מערכת ההזלפה. מלאו מזרק שני בשתיים בינוניות שיחזיקו מעמד לאורך כל משך החלוקה שלו. חברו את שני המזרקים לשתיים מתוך שלוש היציאות של תחנה בעלת ארבעה כיוונים.ייתכן שיהיה צורך באורך של צינורות לחיבור המזרקים לסטופקוקים. הכינו את הסטופקוקים על ידי סגירת הסטלוק לבינוני אחד וחלוקת בינוני שניים לתוך הסטלוק עד שהוא פשוט מתחיל לטפטף החוצה מהיציאה הפתוחה. לאחר מכן סגרו את ה-stopcock לבינוני שניים ופיצו את ה-medium one לתוך ה-stopcock עד שכל שאריות המדיום שתיים נשטפו אל מחוץ ליציאה הפתוחה.חברו את הצינורות במעלה הזרם ליציאת ה-stopcock הפתוחה באמצעות מחבר נקבה ל-barb luer. הכנס מחבר זכר לבר לסיכה בקצה השני של הצינור. הוציאו את המזרק הבינוני מהמזרק עד שהצינור במעלה הזרם יתמלא במדיום והמשיכו בהכנת צינורות במורד הזרם כפי שהודגם קודם לכן.הכנס מחבר זכר לבר לתוך קצה אחד של הצינורות במורד הזרם והכובש אותו בכובע לואר נקבי. בזהירות להביא את כל צינורות מוכנים, מזרקים ואת צלחת הבאר לחממה כי ישמש עבור perfusion. מקם את משאבת המזרק ואת אספן השברים במיקומים הרצויים ליד האינקובטור.מניחים את משאבת המזרק על גבי האינקובטור או בסמוך לו ומניחים את אספן השברים ליד האינקובטור ליד הנמל. טענו את המזרקים לתוך המשאבה. חברו יחד את הקצוות המכוסים של כל הצינורות במעלה ובמורד הזרם ודחפו אותם מהחלק החיצוני של האינקובטור פנימה דרך היציאה.הכנס את הקצוות הפתוחים של הצינורות במורד הזרם לתוך קצות הפיפטה של מתקן ריבוי הראשים של אספן השברים. בתוך האינקובטור, משכו כמה שיותר רפיון של הצינורות במעלה הזרם לתוך האינקובטור כדי למקסם את אורך הצינורות שדרכם המדיום הזורם יכול לקבל חום ופחמן דו חמצני. עבור כל באר מחוברת, שחררו במהירות את המחטים ואת הצינורות במעלה הזרם ובמורד הזרם עבור באר זו, ולאחר מכן חברו אותן יחד עם מחברי הפיתוי שלהם.לאחר שכל החלקים מחוברים, הפעילו לזמן קצר את משאבת המזרק במהירות גבוהה יחסית כדי להבטיח שכל הנחלים זורמים כראוי. בשלב זה, אם רוצים להתחיל את הניסוי עם הצינורות במורד הזרם המלאים בתווך, המשיכו להפעיל את המשאבה עד שכולם יתמלאו, אחרת, עצרו את המשאבה. הגדר את קצב זרימת משאבת המזרק עבור בינוני אחד ואת תדירות איסוף השברים והתחל את שתי המכונות בו זמנית כדי להתחיל את הניסוי.כאשר יש צורך להחליף את המקור הבינוני, יש להפסיק במהירות את משאבת המזרק עבור אחד בינוני. סובבו את ה-stopcock סגור לבינוני והתחילו את משאבת המזרק לשניים בינוניים. אם תרצה בהמשך, החלף את המקור בחזרה לבינוני באופן דומה.אסוף שברים למשך הניסוי הרצוי. ריכוזי העקיבה בשברים משני ניסויי RTD נמדדו והוזנו ל-RTD מתוך סקריפט MATLAB של נתונים כדי לייצר את שני ה-RTDs. צינורות בודדים ופיסות צינורות מרובות בסדרה מתאימים היטב על ידי מודל פיזור צירי יחיד והוספת לוחית 48 באר מחוררת בקו גרמה לסטייה זניחה המאפשרת הן לצינור המטר האחד RTD והן ל-RTD של המערכת כולה להתאים לפונקציות פיזור ציריות.דוגמה להתאמת מודל לקויה הודגמה באמצעות מודל הפיזור הצירי שהותאם לנתוני RTD של שפופרת מטר אחד והותווה לצד הנתונים. ניחושי הפרמטרים הראשוניים שונו כדי לייצר התאמה טובה למודל שבו טאו היה שווה בערך לנפח מערכת הזלוף חלקי קצב הזרימה הנפחי שלו. פולס של 90 דקות של TNF-alpha הוגדר כאות הכניסה למערכת והתפתל עם צינור ה-RTD של מטר אחד כדי לקבוע את אות TNF-alpha בכניסה לצלחת הבאר.אות הקלט היה גם מפותל עם RTD של המערכת כולה כדי לקבוע את אות TNF-אלפא ביציאה של המערכת בשברים שנאספו. תאי HEK 293 הונדסו להפריש GLuc המונעים על ידי מקדם המכיל את אלמנט התגובה NF-kappaB. הניסוי גילה עלייה משמעותית בביטוי וירידה איטית בביטוי GLuc המונעת על ידי NF-kappaB בעקבות חשיפה ל-TNF-אלפא.וריאציות של המערכת מתוארות במאמר הנלווה, כולל התקנה פשוטה יותר לניסויים שאינם דורשים הזנת אותות וחשיפת תאים לפרופילי מומס חיבור פארמה-הו.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Microfabricated Platforms for Mechanically Dynamic Cell Culture

פלטפורמות microfabricated לתרבות Cell דינמי מכאני

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or ...

3D Magnetic Stem Cell Aggregation and Bioreactor Maturation for Cartilage Regeneration

צבירת Cell מגנטי גזע 3D והתבגרות Bioreactor להתחדשות סחוס

Cartilage engineering remains a challenge due to the difficulties in creating an in vitro functional implant similar to the native tissue. An approach ...

Fabrication and Validation of an Organ-on-chip System with Integrated Electrodes to Directly Quantify Transendothelial Electrical Resistance

ייצור ואימות מערכת איברים על שבב עם אלקטרודות משולבת ישירות לכמת התנגדות חשמלית Transendothelial

Organs-on-chips, in vitro models involving the culture of (human) tissues inside microfluidic devices, are rapidly emerging and promise to provide useful ...

Co-transplantation of Human Ovarian Tissue with Engineered Endothelial Cells: A Cell-based Strategy Combining Accelerated Perfusion with Direct Paracrine Delivery

שיתוף השתלת רקמת השחלה האנושי עם תאי אנדותל מהונדסים: שילוב אסטרטגיה מבוסס תא מואצת זלוף עם מסירה ישירה Paracrine

Infertility is a frequent side effect of chemotherapy and/or radiotherapy and for some patients, cryopreservation of oocytes or embryos is not an option. ...

Construction of a Multilayered Mesenchymal Stem Cell Sheet with a 3D Dynamic Culture System

בניית גיליון מרובה שכבות תאי גזע Mesenchymal עם מערכת תרבות דינמית תלת-ממד

Stem cell therapy shows a promising future in regenerating injured organ and tissues, and the cell sheet technique has been developed to improve the low ...

A Microfluidic Platform for Stimulating Chondrocytes with Dynamic Compression

פלטפורמת מיקרופלואידיג לעירור כונדרוציטים עם דחיסה דינמית

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

Traction Microscopy Integrated with Microfluidics for Chemotactic Collective Migration

מיקרוסקופ גרירה משולב עם מיקרופלואידיקה עבור הגירה קולקטיבית כימוטקטיק

Cells change migration patterns in response to chemical stimuli, including the gradients of the stimuli. Cellular migration in the direction of a chemical ...

Imaging-Guided Bioreactor for Generating Bioengineered Airway Tissue

ביוריאקטור מונחה הדמיה ליצירת רקמת נתיב אוויר מהונדסת ביולוגית

Repeated injury to airway tissue can impair lung function and cause chronic lung disease, such as chronic obstructive pulmonary disease. Advances in ...

Procurement and Perfusion-Decellularization of Porcine Vascularized Flaps in a Customized Perfusion Bioreactor

רכש ופרפוזיה-דה-סלוליזציה של דשים וסקולריים חזיריים בביוריאקטור פרפוזיה מותאם אישית

Large volume soft tissue defects lead to functional deficits and can greatly impact the patient&#39;s quality of life. Although surgical reconstruction ...

Procurement and Decellularization of Rat Hindlimbs Using an Ex Vivo Perfusion-Based Bioreactor for Vascularized Composite Allotransplantation

Procurement and Decellularization of Rat Hindlimbs Using an Ex Vivo Perfusion-Based Bioreactor for Vascularized Composite Allotransplantation

רכש ודה-סלוליזציה של חולדות אחוריות באמצעות ביוריאקטור מבוסס ex vivo perfusion עבור allotransplantation מרוכב וסקולרי

Patients with severe traumatic injuries and tissue loss require complex surgical reconstruction. Vascularized composite allotransplantation (VCA) is an ...