Name: designing microfluidic devices for studying cellular responses under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli
Uploaded: 2016-08-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 35 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Designing Microfluidic Devices for Studying Cellular Responses Under Single or Coexisting Chemical/Electrical/Shear Stress Stimuli at JoVE.com

This work was financially supported by the Ministry of Science and Technology of Taiwan under Contract No. MOST 104-2311-B-002-026 (K. Y. Lo), No. MOST 104-2112-M-030-002 (Y. S. Sun), and National Taiwan University Career Development Project (103R7888) (K. Y. Lo). The authors also thank the Center for Emerging Material and Advanced Devices, National Taiwan University, for the use of the cell culture room.

<ol>
	<li>Cheng, J. Y., Yen, M. H., Kuo, C. T., Young, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+transparent+cell-culture+microchamber+with+a+variably+controlled+concentration+gradient+generator+and+flow+field+rectifier.">A transparent cell-culture microchamber with a variably controlled concentration gradient generator and flow field rectifier.</a> Biomicrofluidics. 2, (2008).</li><li>Terry, S. C., Jerman, J. H., Angell, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gas-Chromatographic+Air+Analyzer+Fabricated+on+a+Silicon-Wafer.">Gas-Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon-Wafer.</a> Ieee T Electron Dev. 26, 1880-1886 (1979).</li><li>Whitesides, G. M., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X., Ingber, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+lithography+in+biology+and+biochemistry.">Soft lithography in biology and biochemistry.</a> Annu Rev Biomed Eng. 3, 335-373 (2001).</li><li>Adler, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemoreceptors+in+bacteria.">Chemoreceptors in bacteria.</a> Science. 166, 1588-1597 (1969).</li><li>Boyden, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+chemotactic+effect+of+mixtures+of+antibody+and+antigen+on+polymorphonuclear+leucocytes.">The chemotactic effect of mixtures of antibody and antigen on polymorphonuclear leucocytes.</a> J Exp Med. 115, 453-466 (1962).</li><li>Kao, Y. C., 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=Modulating+chemotaxis+of+lung+cancer+cells+by+using+electric+fields+in+a+microfluidic+device.">Modulating chemotaxis of lung cancer cells by using electric fields in a microfluidic device.</a> Biomicrofluidics. 8, 024107 (2014).</li><li>Walker, G. M., 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=Effects+of+flow+and+diffusion+on+chemotaxis+studies+in+a+microfabricated+gradient+generator.">Effects of flow and diffusion on chemotaxis studies in a microfabricated gradient generator.</a> Lab Chip. 5, 611-618 (2005).</li><li>Al-Majed, A. A., Neumann, C. M., Brushart, T. M., Gordon, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brief+electrical+stimulation+promotes+the+speed+and+accuracy+of+motor+axonal+regeneration.">Brief electrical stimulation promotes the speed and accuracy of motor axonal regeneration.</a> J Neurosci. 20, 2602-2608 (2000).</li><li>Nuccitelli, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Endogenous+electric+fields+in+embryos+during+development,+regeneration+and+wound+healing.">Endogenous electric fields in embryos during development, regeneration and wound healing.</a> Radiat Prot Dosim. 106, 375-383 (2003).</li><li>McCaig, C. D., Rajnicek, A. M., Song, B., Zhao, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+cell+behavior+electrically:+Current+views+and+future+potential.">Controlling cell behavior electrically: Current views and future potential.</a> Physiol Rev. 85, 943-978 (2005).</li><li>Tai, G., Reid, B., Cao, L., Zhao, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrotaxis+and+wound+healing:+experimental+methods+to+study+electric+fields+as+a+directional+signal+for+cell+migration.">Electrotaxis and wound healing: experimental methods to study electric fields as a directional signal for cell migration.</a> Methods Mol Biol. 571, 77-97 (2009).</li><li>Huang, C. W., Cheng, J. Y., Yen, M. H., Young, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrotaxis+of+lung+cancer+cells+in+a+multiple-electric-field+chip.">Electrotaxis of lung cancer cells in a multiple-electric-field chip.</a> Biosens Bioelectron. 24, 3510-3516 (2009).</li><li>Yan, X. L., 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=Lung+Cancer+A549+Cells+Migrate+Directionally+in+DC+Electric+Fields+With+Polarized+and+Activated+EGFRs.">Lung Cancer A549 Cells Migrate Directionally in DC Electric Fields With Polarized and Activated EGFRs.</a> Bioelectromagnetics. 30, 29-35 (2009).</li><li>Li, J., 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=Activated+T+lymphocytes+migrate+toward+the+cathode+of+DC+electric+fields+in+microfluidic+devices.">Activated T lymphocytes migrate toward the cathode of DC electric fields in microfluidic devices.</a> Lab Chip. 11, 1298-1304 (2011).</li><li>Lin, F., 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=Lymphocyte+electrotaxis+in+vitro+and+in+vivo.">Lymphocyte electrotaxis in vitro and in vivo.</a> J Immunol. 181, 2465-2471 (2008).</li><li>Zhang, J., 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=Electrically+Guiding+Migration+of+Human+Induced+Pluripotent+Stem+Cells.">Electrically Guiding Migration of Human Induced Pluripotent Stem Cells.</a> Stem Cell Rev. , (2011).</li><li>Song, 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=Application+of+direct+current+electric+fields+to+cells+and+tissues+in+vitro+and+modulation+of+wound+electric+field+in+vivo.">Application of direct current electric fields to cells and tissues in vitro and modulation of wound electric field in vivo.</a> Nat Protoc. 2, 1479-1489 (2007).</li><li>Sun, Y. S., Peng, S. W., Cheng, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+electrical-stimulated+wound-healing+chip+for+studying+electric+field-assisted+wound-healing+process.">In vitro electrical-stimulated wound-healing chip for studying electric field-assisted wound-healing process.</a> Biomicrofluidics. 6, 34117 (2012).</li><li>Sun, Y. S., Peng, S. W., Lin, K. H., Cheng, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrotaxis+of+lung+cancer+cells+in+ordered+three-dimensional+scaffolds.">Electrotaxis of lung cancer cells in ordered three-dimensional scaffolds.</a> Biomicrofluidics. 6, (2012).</li><li>Li, J., Zhu, L., Zhang, M., Lin, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+device+for+studying+cell+migration+in+single+or+co-existing+chemical+gradients+and+electric+fields.">Microfluidic device for studying cell migration in single or co-existing chemical gradients and electric fields.</a> Biomicrofluidics. 6, 24121-2412113 (2012).</li><li>Hou, H. S., Tsai, H. F., Chiu, H. T., Cheng, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+chemical+and+electrical+stimulation+on+lung+cancer+cells+using+a+multichannel-dual-electric-field+chip.">Simultaneous chemical and electrical stimulation on lung cancer cells using a multichannel-dual-electric-field chip.</a> Biomicrofluidics. 8, 052007 (2014).</li><li>Lo, K. Y., Wu, S. Y., Sun, Y. 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+microfluidic+device+for+studying+the+production+of+reactive+oxygen+species+and+the+migration+in+lung+cancer+cells+under+single+or+coexisting+chemical/electrical+stimulation.">A microfluidic device for studying the production of reactive oxygen species and the migration in lung cancer cells under single or coexisting chemical/electrical stimulation.</a> Microfluid Nanofluidics. 20, 15 (2016).</li><li>Lo, K. Y., Zhu, Y., Tsai, H. F., Sun, Y. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+shear+stresses+and+antioxidant+concentrations+on+the+production+of+reactive+oxygen+species+in+lung+cancer+cells.">Effects of shear stresses and antioxidant concentrations on the production of reactive oxygen species in lung cancer cells.</a> Biomicrofluidics. 7, 64108 (2013).</li><li>Cheng, J. Y., Wei, C. W., Hsu, K. H., Young, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct-write+laser+micromachining+and+universal+surface+modification+of+PMMA+for+device+development.">Direct-write laser micromachining and universal surface modification of PMMA for device development.</a> Sensor Actuat B-Chem. 99, 186-196 (2004).</li><li>Chen, J. J. W., 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=Global+analysis+of+gene+expression+in+invasion+by+a+lung+cancer+model.">Global analysis of gene expression in invasion by a lung cancer model.</a> Cancer Res. 61, 5223-5230 (2001).</li><li>Shih, J. Y., 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=Collapsin+response+mediator+protein-1+and+the+invasion+and+metastasis+of+cancer+cells.">Collapsin response mediator protein-1 and the invasion and metastasis of cancer cells.</a> J Natl Cancer I. 93, 1392-1400 (2001).</li><li>Lu, H., 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=Microfluidic+shear+devices+for+quantitative+analysis+of+cell+adhesion.">Microfluidic shear devices for quantitative analysis of cell adhesion.</a> Anal Chem. 76, 5257-5264 (2004).</li><li>Fried, L. E., Arbiser, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Honokiol,+a+Multifunctional+Antiangiogenic+and+Antitumor+Agent.">Honokiol, a Multifunctional Antiangiogenic and Antitumor Agent.</a> Antioxid Redox Sign. 11, 1139-1148 (2009).</li><li>Chisti, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+damage+to+animal+cells.">Hydrodynamic damage to animal cells.</a> Crit Rev Biotechnol. 21, 67-110 (2001).</li><li>Davies, P. F., Remuzzi, A., Gordon, E. J., Dewey, C. F., Gimbrone, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbulent+fluid+shear+stress+induces+vascular+endothelial+cell+turnover+in+vitro.">Turbulent fluid shear stress induces vascular endothelial cell turnover in vitro.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 83, 2114-2117 (1986).</li><li>Zoro, B. J., Owen, S., Drake, R. A., Hoare, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+impact+of+process+stress+on+suspended+anchorage-dependent+mammalian+cells+as+an+indicator+of+likely+challenges+for+regenerative+medicines.">The impact of process stress on suspended anchorage-dependent mammalian cells as an indicator of likely challenges for regenerative medicines.</a> Biotechnol Bioeng. 99, 468-474 (2008).</li><li>Chin, L. 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=Production+of+reactive+oxygen+species+in+endothelial+cells+under+different+pulsatile+shear+stresses+and+glucose+concentrations.">Production of reactive oxygen species in endothelial cells under different pulsatile shear stresses and glucose concentrations.</a> Lab Chip. 11, 1856-1863 (2011).</li><li>Tsai, H. F., Peng, S. W., Wu, C. Y., Chang, H. F., Cheng, J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrotaxis+of+oral+squamous+cell+carcinoma+cells+in+a+multiple-electric-field+chip+with+uniform+flow+field.">Electrotaxis of oral squamous cell carcinoma cells in a multiple-electric-field chip with uniform flow field.</a> Biomicrofluidics. 6, 34116 (2012).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

שבביים מבוסס PMMA מיוצרים באמצעות אבלציה ליזר וכתיבה שהן זולות ושיטות קלות בהשוואה לשבבים מבוססים PDMS הדורשים ליתוגרפיה רך יותר מסובך. לאחר תכנון שבב microfluidic, הייצור וההרכבה ניתן לעשות זאת בתוך רק 5 דקות. ישנם כמה צעדים קריטיים כי יש לשים לב כדי בביצוע הניסוי. הראשון הוא סוגיית &quot;רכבת&quot;. המתאמים צריכים להיות מודבקים כראוי לשכבה העליונה ביותר של השבב. דבק יכול לדלוף לתוך ערוצי fluidic אם יותר מדי מוחל, ונוזל יכול לדלוף החוצה של שבב אם דבק מעט מדי נעשה שימוש. כמו כן, בהרכבת מצעי PMMA ואת הקלטות דו צדדיות, חשוב להפעיל לחץ ללחוץ על השבב כולו בחוזקה כדי למנוע דליפת נוזלים. השני הוא הנושא &quot;הבועה&quot;. כדי להסיר בועות, 1x PBS מוזרם באופן רציף לתוך התעלה fluidic עבור דק &#39;1 או 2 בקצב זרימה של 20 μl / דקה ואז השבב הוא pרכוסה באינקובטור הלילה מתחת לגיל 5% CO 2 על 37 מעלות צלזיוס. אם יש בועות הנותרות בתוך הערוצים fluidic, הזרימה תהיה לא אחיד, מה שגרם ריכוז כימי הומוגניות והפצת EF. השלישי הוא הנושא &quot;טעינת תא&quot;. מספר התאים נטענים לתוך אזורי התרבות צריך להיות מבוקר היטב. אם את המספר הסלולרי הוא נמוך מדי, רבי ריצות ניסיון צריכות להתנהל לאסוף מספיק נתונים לצורכים סטטיסטי. אם את המספר הסלולרי הוא גבוה מדי, זה יהיה קשה להבחין בין תאים בודדים ולכמת ההגירה שלהם. בשנת שבב CSS, מבנה &quot;עץ חג המולד&quot; בשילוב עם פינת תרבות משולשת יוצר ריכוזים כימיים שונים בחמישה תחומים, שלכל אחד מהם שיפוע מאמץ גזירה. מדגיש גזירה fluidic היו ידועים בהשפעתם על הקובץ המצורף, מורפולוגיה, ההגירה, ואת הפעילות של תאים. מאמצי גזירה של נמוכים החל 0.25-0.6 Pa תוכל להשתלב מצורף תאערכים גבוהים יותר, ואף מדגיש (0.5 -10 Pa) דווחו להסיר תאים חסידים 29. מדגיש גזירה למינרית החל 0.8 ל 1.5 יישור תא מושרה אבא לכיוון הזרימה 30, ואפילו ערכים נמוכים יותר (0.1-1 אבא) היו ידועים להשפיע מורפולוגיה תאית וחדירות 29. יתר על כן, לתאי שריר חלק נתון גזירת לחצים של 2-120 Pa חווה ירידה במספר תאי 31. Lu et al. דיווח על התכנון וההקמה של מכשירי גזירת microfluidic על ניתוח כמותי של הידבקות תא 27. מאמץ הגזירה בתוך הערוץ fluidic שונה על ידי שינוי הממדים של הערוץ. צ&#39;ין et al. תאר המודינמי מעבדה-על-שבב מערכת לשליטה על קצב הזרימה של מדיום תרבות ערוצי מייקרו לחקות את פרופיל זרימת הדם בתוך הכלי 32. מאמץ הגזירה בתוך הערוץ fluidic שונה על ידי שינוי קצב הזרימה של המדיום. בse שני מכשירים, למרות מאמץ הגזירה של ערכי כל יכול להיווצר, רק אחד ערך יחיד היה זמין בתוך אזור תרבות אחת בבת אחת. לשם השוואה, שבב CSS הנוכחי יש את היתרון של מתן שיפוע מאמץ גזירה בתחום אחד משולש, הגדלת התפוקה הניסיונית במיוחד למטרת הקרנה. בשנת שבב CEF, בתחומי התרבות של המבנה &quot;עץ חג המולד&quot; הוא בניצב מחוברים כדי ליצור נתיב fluidic מקביל מעגל חשמלי. באחת להחיל זרם חשמלי קבוע, חמש עוצמות EF נוצרות בתוך תחומי התרבות עם כל בעל זרימת ריכוז כימי ספציפי. כמקובל, ניסויי electrotactic בוצעו על צלחות פטרי שם בעיות של מקדמי פליטה מדויקים, אידוי בינוני, תא גדול / צריכה מגיב, וחימום ג&#39;אול גדל יכולות להתרחש. מצ&quot;ב, מכשירים microfluidic מיניאטורי ביעילות להתגבר החסרונות הללו. לדוגמה, כדי ללמוד את electrotaxis oבתאים אנושיים דם זיכרון T f, לין et al. דיווח על מכשיר microfluidic פלסטיק המכיל שני 15 זהים, Side-by-side מיקרו-ערוצים, שני טיפי פיפטה שונים שמשו מאגרים בינוניים, ושתי אלקטרודות פלטינה עבור יישום EF. כדי להגדיל את התפוקה, שבבי electrotactic מבוססים PMMA היו מפוברקים לספק עוצמות EF מרובות במכשיר אחד יחיד 12,33. כמו כן, מכשירי microfluidic מסוגלים לייצר כימי לשליטה בגירויים חשמליים בו זמנית הם בעלי העניין גבוה. Li et al. מפוברק מכשיר microfluidic מבוסס PDMS לייצר הדרגתיים כימיים יחיד או דו-קיום / מקדם פליטה חוקר את chemotactic או גירת electrotactic של תאי T 14. קאו et al. מועסקים מכשיר microfluidic דומה לווסת את chemotaxis של תאי סרטן הריאות באמצעות EFS 12. בשני המכשירים האלה, מבנה Y-צורה יושם כדי ליצור שיפוע ריכוז יציב אחד EF השימושית. הו et al. דיווח על שבב רב-כפולה-חשמל-שדה כדי לחקור את ההשפעה המיידית של כימיקלים מקדמים פליטה על תאי סרטן ריאות 21. התקן זה היה מסוגל לספק 8 שילובים של גירויים חשמליים / כימיים (2 כימי חשמל x 4) בניסוי אחד. למרות התפוקה מוגברת, הקיבולת של שבב זה הוגבלה (1) רק כוח EF אחד (ועוד אחד אפס כביקורת), ו- (2) ארבע משאבות מזרק נדרשות לשאיבת כימיקלים לארבעה ערוצים עצמאיים. לשם השוואה, שבב CEF הנוכחי יש את היתרון של יצירת חמש עוצמות EF יחד עם חמישה ריכוזים כימיים באמצעות סט אחד של אלקטרודות ו -2 משאבות מזרק. למרות שבבים אלה קלים להיות מפוברקים, יש להם מספר מגבלות. ראשית, רק חמש &quot;ספציפי&quot; ריכוזי וחמש &quot;ספציפי&quot; חוזק EF יכולים להיוצר. שנית, הרוחב של ערוץ fluidic לא יכול להיות פחות מ -1 מ&quot;מ בשל ההתמקדות שלקרן לייזר CO 2. עם זאת, על ידי שליטה על כימיים ריכוז דווקא כניסת הזרם החשמלי העובר במסלול fluidic, כל ריכוזי ועוצמות EF ניתן להשיג בתחומי התרבות. לסיכום, CSS הנוכחי וצ&#39;יפס CEF מסוגל לספק תאים עם גירויי מתח יחיד או להתאבדות לשליטה כימית / חשמל / גזירה. בשנת שבב CSS אחת, חמישה ריכוזים כימיים שונים בשילוב עם שיפוע הלחץ גזירה יכול להיווצר. בנוסף, שבב אחד בודד CEF, חמישה ריכוזים כימיים שונים בשילוב עם חמש נקודות החוזק EF יכול להיווצר. על ידי הגדלת הסניפים של המבנה &quot;עץ חג המולד&quot;, התפוקה של שבבים אלה ניתן להגדיל עוד יותר. שבבים אלה הם הפגינו כדי להיות פלטפורמה קלה, חוסך זמן, אמין, ו תפוקה גבוהה ללימודים של התנהגות הסלולר תחת גירויי לחץ כימי / חשמל / גזירה.

בתאי vivo מוקפים במגוון ביומולקולות כולל תאי מטריקס (ECM), פחמימות, שומנים, ותאים אחרים. הם functionalize ידי להגיב לגירויים מיקרו-סביבתיים כגון אינטראקציות עם ECM ותגובות הדרגתיים הכימי של גורמי גדילה שונים. באופן מסורתי, מחקרים תא במבחנה נערכים במנות התא בתרבות שבה הצריכה של תאים ריאגנטים גדול ותאי לגדול סטטי (לא מחזורי) בסביבה. לאחרונה, מכשירים מפוברקי מייקרו משולב עם רכיבים נוזליים ספקו פלטפורמה חלופית מחקרי תא בצורה לשליטה יותר. מכשירים כאלה מסוגלים ליצור מייקרו-סביבה מדויקת של גירויים כימיים ופיסיים תוך מזעור צריכת תאים ריאגנטים. שבבי microfluidic אלה יכולים להיות עשויים זכוכית מצעים, פרוסות סיליקון, polydimethylsiloxane (PDMS) פולימרים, polymethylmethacrylate מצעים (PMMA), או polyethylenetereפתלטים (PET) מצעים 1-3. מכשירים מבוססי PDMS הם שקופים, ביולוגית, ו חדיר לגזים, מה שהופך אותם מתאימים תרבות מחקרים תא לטווח ארוך. מצעים PMMA ו PET הם זולים וקלים להיות מעובד באמצעות אבלציה לייזר וכתיבה. מכשירי microfluidic אמורים לספק תאים עם סביבת מייקרו יציבה לשליטה שבו תאים כפופים כימי שונה וגירויים פיסיים. לדוגמה, שבבי microfluidic משמשים ללמוד chemotaxis של התאים. במקום שיטות מסורתיות המעסיקות בוידן קאמרית נימי 4,5 התקני fluidic מיניאטורי אלה יכולים ליצור הדרגתיים כימיים מדויקים ללימוד 1,6,7 ההתנהגויות של התאים. דוגמא נוספת היא ללמוד הגירה כיוונית של התאים תחת שדות חשמליים (EFS) חברת electrotaxis בשם תופעה. התנהגויות Electrotactic של תאים דווחו להיות קשורות עצב התחדשות 8, התפתחות עוברית 9,ו ריפוי פצעים 10,11. מחקרים רבים בוצעו כדי לחקור את electrotaxis של סוגי תאים שונים, כולל תאים סרטניים 12,13, לימפוציטים 14,15, תאי לוקמיה 11, ותאי גזע 16. כמקובל, צלחות פטרי וכוסות כיסוי המשמשים לבניית תאי electrotactic להפקת מקדמי הפליטה 17. Setups פשוט כזה מציב בעיות של אידוי בינוני וב- EFS המדויקת, אבל אפשר להתגבר עליהם על ידי מכשירי microfluidic של סגורה, ערוצי fluidic מוגדרים היטב 12,18,19. כדי ללמוד תגובות הסלולר באופן שיטתי תחת גירויים כימיים וחשמליים מדויקים, לשליטה, זה יהיה תועלת רבה לפתח מכשירי microfluidic מסוגלים לספק תאים עם גירויים מרובים בו זמנית. לדוגמה, Li et al. דיווחתי על מכשיר microfluidic מבוסס PDMS ליצירת יחיד או להתאבדות הדרגתית כימי וב- EFS 20. קאו et al. devברח שבב microfluidic דומה לווסת את chemotaxis של תאי סרטן הריאות על ידי מקדמי פליטה 6. יתר על כן, להגדיל את התפוקה, ואח הואו. מעוצב מפוברק שבב PMMA מבוסס רב-כפול-חשמל-שדה לספק תאים עם 8 גירויים משולבים שונים, להיות (2 עוצמות EF x 4 ריכוזים כימיים) 21. כדי להגביר עוד יותר את לאורך ולהוסיף גירוי מאמץ הגזירה, פתחנו שני מכשירים microfluidic מבוסס PMMA ללימוד תגובות הסלולר תחת גירויי מתח יחיד או להתאבדות כימית / חשמל / גזירה. דווח ע&quot;י Lo et al. 22,23, מכשירים אלה מכילים חמישה ערוצי תרבית תאים עצמאיים בכפוף זורם fluidic רציף, מחקו את מערכת דם in vivo. בשנת השבב הראשון (שבב לחץ הכימי-גזירה או שבב CSS), חמישה ריכוזים יחסיים של 0, 1/8, 1/2, 7/8 ו -1 נוצרים באזורי התרבות, ואת שיפוע לחץ גזירה הוא produCED בתוך כל אחד מחמשת תחומי התרבות. השבב השני (השבב בתחום הכימי-חשמלי או שבב CEF), באמצעות סט אחד של אלקטרודות ו -2 משאבות מזרק, חמש עוצמות EF נוצרות בנוסף לחמישה ריכוזים כימיים שונים בתוך אזורי התרבות אלה. חישובים וסימולציות נומריות מבוצעים לעיצוב טוב יותר ולהפעיל את השבבים הללו, ותאי סרטן הריאות בתרבית בתוך מכשירים אלה כפופים גירויים יחידים או coexisting לצפיית תגובותיהם ביחס לייצור (reactive oxygen species ROS), שיעור ההגירה, ואת כיוון הגירה. שבבים אלה הם הפגינו להיות חוסכים זמן, תפוקה גבוהה והתקנים אמינים עבור חוקרת כיצד תאים מגיבים לגירויים שונים מיקרו-סביבתיים.

<table><tbody><tr><td>Dulbecco&#039;s Modified Eagle Medium (DMEM)</td><td>Gibco</td><td>11965-092</td><td>Cell culture medium</td></tr><tr><td>Trypsin</td><td>Gibco</td><td>25300-054</td><td>detach cell from the dish</td></tr><tr><td>Fetal bovine serum (FBS)</td><td>Gibco</td><td>10082147</td><td>Cell culture medium</td></tr><tr><td>10 cm cell culture Petri dish</td><td>Nunc</td><td>150350</td><td>Cell culture</td></tr><tr><td>Bright-Line&amp;nbsp;Hemacytometer</td><td>Sigma</td><td>Z359629</td><td>Cell Counting Equipment</td></tr><tr><td>PMMA</td><td>Customized</td><td>Customized</td><td>Microfluidic chip</td></tr><tr><td>Adaptor</td><td>Customized</td><td>Customized</td><td>Microfluidic chip</td></tr><tr><td>0.07/0.22 mm double-sided tape&amp;nbsp;</td><td>3M</td><td>8018/9088</td><td>Microfluidic chip</td></tr><tr><td>Low melting point agarose</td><td>Sigma</td><td>A9414</td><td>Salt bridge</td></tr><tr><td>2&#039;-7&#039;-dichlorodihydrofluoresce diacetate</td><td>Sigma</td><td>D6883</td><td>Intracellular ROS measurement</td></tr><tr><td>Indium tin oxide (ITO) glass</td><td>Merck</td><td>300739</td><td>Heater</td></tr><tr><td>Proportional-integral-derivative controller&amp;nbsp;</td><td>JETEC Electronics Co.</td><td>TTM-J4-R-AB</td><td>Temperature controller</td></tr><tr><td>Thermal coupler</td><td>TECPEL</td><td>TPK-02A</td><td>Temperature controller</td></tr><tr><td>CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; laser scriber</td><td>Laser Tools &amp;amp; Technics Corp.</td><td>ILS2</td><td>Microfluidic chip fabrication</td></tr><tr><td>Syringe pumps</td><td>New Era</td><td>NE-300</td><td>Pumping medium and chemicals into the chip</td></tr><tr><td>Power supply</td><td>Major Science&amp;nbsp;</td><td>MP-300V</td><td>Supplying direct currents</td></tr><tr><td>Inverted microscope</td><td>Olympus</td><td>CKX41</td><td>Monitoring cell migration</td></tr><tr><td>Inverted fluorescent microscope</td><td>Nikon</td><td>TS-100</td><td>Monitoring cell migartion and fluorescencent signals</td></tr><tr><td>DSLR camera</td><td>Canon</td><td>60D</td><td>Recording bright-field images&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>CCD camera</td><td>Nikon</td><td>DS-Qi1</td><td>Recording fluorescent images&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>super glue</td><td>3M Scotch</td><td>7004</td><td>Attaching adaptors to PMMA substrates</td></tr><tr><td>AutoCAD</td><td>Autodesk Inc.</td><td></td><td>Designing microfluidic chips</td></tr><tr><td>DMSO</td><td>Sigma</td><td>D8418</td><td>Dissolving DCFDA</td></tr><tr><td>ImageJ</td><td>National Institutes of Health</td><td></td><td>Quantifying fluorescent intensities and cell migration</td></tr></tbody></table>

designing microfluidic devices for studying cellular responses under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli

מכשירי microfluidic מסוגלים ליצור א-סביבת מייקרו הסלולר מדויקת לשליטה של ​​pH, טמפרטורה, ריכוז מלח, וגירויים פיסיים או כימיים אחרים. הם שימשו בדרך כלל ללימודי תאים במבחנה על ידי מתן in vivo כמו הסביבה. במיוחד, כיצד תאים בתגובה הדרגתית כימי, שדות חשמליים, מדגיש גזירת משך אינטרסים רבים מאז התופעות האלה חשובות להבנת תכונות ופונקציות הסלולר. שבבי microfluidic אלה יכולים להיות עשויים זכוכית מצעים, פרוסות סיליקון, polydimethylsiloxane (PDMS) פולימרים, polymethylmethacrylate (PMMA) מצעים, או פוליאתילן טרפתאלט מצעים (PET). מתוך החומרים הללו, מצעים PMMA הם זולים ניתן לעבד בקלות באמצעות אבלציה לייזר וכתיבה. למרות כמה מכשירים microfluidic עוצבו מפוברק להפקה מרובה, המתקיימות זו בצד זו כימית גירויים חשמליים, אף אחד מהם לא נחשביעיל מספיק בהפחתת חזרות ניסוי, בפרט למטרות הקרנה. בדו&quot;ח זה, אנו מתארים תכנון הייצור שלנו של שני שבבים microfluidic מבוסס PMMA לחקירת תגובות הסלולר, בייצור של מיני חמצן תגובתי ואת הגירה, תחת גירויי מתח יחידים או להתאבדות כימית / חשמל / גזירה. השבב הראשון מייצר חמישה ריכוזים יחסיים של 0, 1/8, 1/2, 7/8 ו -1 באזורי התרבות, יחד עם שיפוע לחץ גזירה מיוצר בתוך כל אחד מהתחומים האלה. השבב השני מייצר אותו הריכוזים יחסיים, אך עם חמש עוצמות שדה חשמלי שונות שנוצרו בתוך כל אזור תרבות. התקנים אלה לא מספקים תאים רק עם תפוקה מדויק, מיקרו-סביבה לשליטה אלא גם להגדיל את ניסיוני מאוד.

את הלחץ הכימי-הגזירה (CSS) צ&#39;יפ שבב CSS עשוי שלושה גיליונות PMMA, כל אחד מ&quot;מ עובי 1, מצורפים יחד באמצעות שתי קלטות דו צדדיות, כל אחד בעובי 0.07 מ&quot;מ (איור 1 א &#39;ו -1 B). המבנה &quot;עץ חג המולד&quot; מייצר חמישה ריכוזים יחסיים של 0, 1/8, 1/2, 7/8 ו -1 בחמשת תחומי התרבות. על ידי תכנון באזור התרבות כמשולש, שיפוע לחץ גזירה, בעצמה הקשורה קצב זרימת הנפח, צמיגות fluidic, והממד של ערוץ fluidic, נוצר בתוך בכל אחד מהתחומים. שבב זה מחובר אז, דרך אחר קלטת 0.07 מ&quot;מ עובי דו צדדית, כדי בצלחת פטרי עבור תאי CL1-5 culturing סרטן הריאות ואת הייצור של ROS נצפה בתגובת ריכוזים כימיים שונים מדגיש גזירה. ההפקה של ROS בתאים סרטניים ריאות קשורה מאוד lung סרטן גרורות והתפתחות, וכימיקלים מסוימים מאמץ גזירה הודגמו להיות מעורבות ROS דור 23. ראשית, כדי לחקור את ההשפעה של H 2 O 2, גירוי כימי, על הייצור של ROS, תאים הודגרו עם הרציפה זורמת של H 2 O 2 פתרונות ב 0, 25, 100, 175, ו -200 מיקרומטר. כפי שניתן לראות בתרשים 1 ג, עוצמת ניאון גדל ריכוז H 2 O 2 מוגברת, המציין כי H 2 O 2 מגורה ייצור של ROS. בשלב הבא, כדי לחקור את ההשפעה של לחץ גזירה על הייצור של ROS, תאים נחשפו שיפוע לחץ גזירה של 0.0048 Pa כדי 0.0192 Pa. 1D האיור מראה כי עוצמת הניאון גדלה ככל מאמץ הגזירה גדל (מדגיש הגזירה היו הגבוה ביותר והנמוך ביותר בתחומים מלפנים ומאחור, בהתאמה), מציעing כי מאמץ הגזירה גבוה המושרה יותר ייצור ROS. כמו כן, שבב CSS זה שמש כדי ללמוד את הייצור של ROS בתגובת ריכוזים שונים של טוקופרול α, נוגד חמצון של צורת תאי ויטמין E. היה מגורה על ידי מאמץ גזירה בתוספת α-טוקופרול של 0, 3.2, 12.5, 21.9 , ו -25 מיקרוגרם / מ&quot;ל. כפי שניתן לראות בתרשים 1E, לריכוזי-טוקופרול α נמוך מ 21.9 מיקרוגרם / מ&quot;ל, עוצמת ניאון ירד כמו ריכוז מוגבר, המציין את השפעת α-טוקופרול בהפחתת הייצור של ROS. עם זאת, כמו ריכוז מוגבר ל -25 מיקרוגרם / מ&quot;ל, עוצמת מתכוון גדל גם, דבר המצביע על כך ריכוז גבוה זה של טוקופרול α לא לחסל ROS הרבה בהשוואה לריכוז נמוך. השדה הכימי-החשמלי (CEF) צ&#39;יפ שבב CEF הוא עשוי PMMA 1 מ&quot;מ בעובי ו 0.22 מ&quot;מ סרט דו צדדי עם ערוצי fluidic בדוגמת על זה (איור 2 א ו -2). בדומה לכך, המבנה &quot;עץ חג המולד&quot; יוצר חמישה ריכוזים יחסיים של 0, 1/8, 1/2, 7/8 ו -1 בחמשת תחומי התרבות. בנוסף, חמישה אזורים אלו מקבילים מחוברים בניצב כדי ליצור נתיב fluidic מקביל מעגל חשמלי. השדה החשמלי שנוצר בתוך אזור תרבות קשור המוליכות של הנוזל, שטח החתך של הערוץ, ואת הזרם החשמלי הקבוע (DC) עובר דרך השטח. על פי חוק מתח קירכהוף ואת חוק אוהם, הזרמים בחמשת תחומי התרבות הם 0.49 אני, 0.25 אני, 0.13 אני, 0.08 אני, ו 0.05 אני, בהתאמה, כאשר I הוא dc מיושם (איור 2 ג). שבב זה מצורף, באמצעות קלטת 0.22 מ&quot;מ עובי דו צדדית, כדי בצלחת פטרי עבור תאים culturing CL1-5 סרטן ריאות להתבונן נדידת תאים ואת production של ROS בתגובה ריכוזים כימיים שונים שדות חשמליים. ראשית, השבב הזה שימש ללמוד את הייצור של ROS בתגובה ריכוזים שונים של honokiol, עוצמות שונות של מקדמי הפליטה, וטיפולים בשילוב של שניהם. Honokiol, פוליפנול מולקולות קטנות המבודד מן הסוג מגנוליה, נמצא כבעלת תכונות antiangiogenic, אנטי-דלקתיות, אנטי-סרטניות במחקרים פרה 28. כפי שניתן לראות בתרשים 2 ד, את ROS מיוצר כמעט היה זהה עבור כל מקדמי פליטה נמוך מ -67 mV / מ&quot;מ, אך הוגדל עם הגדלת מקדמי הפליטה מעל ערך זה. איור 2E מראה כי תחת טיפולים משולבים של שדות חשמליים honokiol, רמת ROS נשאר כמעט אותו דבר, המציין כי honokiol עיכב את הייצור של אקסוגניים ROS (כלומר., ROS הקשורים לגירוי EF), במיוחד תחת מקדמי הפליטה גבוה. הגירת התא תחת כימי יחיד או דו-קיום/ גירויים חשמליים גם נחקר באמצעות שבב CEF זה. כפי שניתן לראות באיור 2F, ללא תוספת של honokiol, שיעור הגירה מוגברת ככל שעוצמת EF גדל. לאחר הוספת honokiol של ריכוזים שונים, שיעור ההגירה ירד בכלל, דבר המצביע על כך נדידת תאים מופחת honokiol ואולי באמצעות דיכוי ייצור של ROS. הכוונת ההגירה מוצגת באיור 2G. בנוכחות EF רק, תאי סרטן ריאות הראו הגירה כיוונית בולט לעבר האנודה (עם ערכים שליליים). לאחר הוספת honokiol של ריכוזים שונים, חלה ירידה קלה הכוונת הגירה לכל תחומי מגורה EF. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/54397/54397fig1.jpg" /> איור 1: המתח הכימי-גזירה (CSS) צ&#39;יפ לשמש כדי לחקור את ההשפעות של כימיקלים שאר לחצים על תאי סרטן הריאות 2.3 (א) שלוש שכבות של מצעים PMMA כרוכים יחד באמצעות שתי קלטות דו צדדית כדי ליצור את שבב CSS. (ב) השבב המשולב CSS. (ג) למעלה: פלורסנט ותמונות בהיר שדה של CL 1-5 תאים לאחר שטופלו בריכוזים שונים של H 2 O 2. בר סולם = 50 מיקרומטר. תחתון: עוצמת פלורסנט Mean עם SEM זממה בריכוזים שונים של H 2 O 2. (ד) למעלה: תמונות פלורסנט של CL 1-5 תאים תחת מאמצי גזירה שונים. בר סולם = 50 מיקרומטר. תחתון: עוצמת פלורסנט Mean עם SEM זממה ב מדגיש גזירה שונה. (ה) למעלה: פלורסנט ותמונות בהיר שדה של CL 1-5 תאים לאחר מגורה עם מאמץ הגזירה עם ריכוזים שונים של טוקופרול α. בר סולם = 50 מיקרומטר. תחתון: עוצמת פלורסנט Mean עם SEM זממה בריכוזים שונים של טוקופרול α. הנתונים המוצגים כאן wכפי שפורסם לראשונה ב- התייחסות 23. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54397/54397fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/54397/54397fig2.jpg" /> איור 2: השדה הכימי-חשמלי (CEF) צ&#39;יפ לשמש כדי לחקור את ההשפעות של כימיקלים חשמליים שדות על תאי סרטן הריאות 22. (א) שכבה אחת של PMMA הוא כבול על צלחת תרבות באמצעות דבק דו-צדדי כדי ליצור את שבב CEF. (ב) דפוס fluidic של השבב CSS. (ג) המעגל החשמלי המקביל של שבב microfluidic. (ד) שמאל: פלורסנט ותמונות בהיר שדה של CL 1-5 תאים לאחר שטופלו עוצמות שונות של מקדמי פליטה. בר סולם = 50 מיקרומטר. מימין: Mean ניאוןעצמת SEM זממה בעוצמות שונות של מקדמי פליטה. (E) שמאל: פלורסנט ותמונות בהיר שדה של CL 1-5 תאים לאחר שטופלו honokiol וב- EFS בשילוב. בר סולם = 50 מיקרומטר. מימין: ממוצע עוצמת פלורסנט עם SEM זממו ב honokiol וב- EFS בשילוב. (F) שיעורי ההגירה של תאי CL1-5 לאחר שטופל מקדמי פליטה בלבד (מסומן ביקורת) honokiol בשילוב וב- EFS (הם מסומנים כ honokiol). (ז) הכוונה על נדידת תאים CL1-5 לאחר שטופלו מקדמי הפליטה בלבד (מסומן הביקורת) honokiol בשילוב וב- EFS (הם מסומנים כ honokiol). הנתונים המוצגים כאן פורסם במקור בהתייחס 22. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54397/54397fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Designing Microfluidic Devices for Studying Cellular Responses Under Single or Coexisting Chemical/Electrical/Shear Stress Stimuli at JoVE.com

Designing Microfluidic Devices for Studying Cellular Responses Under Single or Coexisting Chemical/Electrical/Shear Stress Stimuli

Micro-fabricated devices integrated with fluidic components provide an in vitro platform for cell studies mimicking the in vivo micro-environment. We developed polymethylmethacrylate-based microfluidic chips for studying cellular responses under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli.

עיצוב מכשירי microfluidic ללימוד ותגובות ניידות תחת בית או להתאבדות כימית / חשמל / שאר מתח גירויים

Microfluidic devices are capable of creating a precise and controllable cellular micro-environment of pH, temperature, salt concentration, and other ...

designing-microfluidic-devices-for-studying-cellular-responses-under

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.8K Views.  National Taiwan University. Micro-fabricated devices integrated with fluidic components provide an in vitro platform for cell studies mimicking the in vivo micro-environment. We developed polymethylmethacrylate-based microfluidic chips for studying cellular responses under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli.

Video: Designing Microfluidic Devices for Studying Cellular Responses Under Single or Coexisting Chemical/Electrical/Shear Stress Stimuli

Microfabricated Platforms for Mechanically Dynamic Cell Culture

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or fundamental cell biology studies is limited by current bioreactor technologies, which cannot simultaneously apply a variety of mechanical stimuli to cultured cells. In order to address this issue, we have developed a series of microfabricated platforms designed to screen for the effects of mechanical stimuli in a high-throughput format. In this protocol, we demonstrate the fabrication of a microactuator array of vertically displaced posts on which the technology is based, and further demonstrate how this base technology can be modified to conduct high-throughput mechanically dynamic cell culture in both two-dimensional and three-dimensional culture paradigms.

In this protocol, we demonstrate the fabrication of a microactuator array of vertically displaced posts on which the technology is based, and how this base technology can be modified to conduct high-throughput mechanically dynamic cell culture in both two-dimensional and three-dimensional culture paradigms.

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 ...

Parallel-plate Flow Chamber and Continuous Flow Circuit to Evaluate Endothelial Progenitor Cells under Laminar Flow Shear Stress

The overall goal of this method is to describe a technique to subject adherent cells to laminar flow conditions and evaluate their response to well quantifiable fluid shear stresses1.
Our flow chamber design and flow circuit (Fig. 1) contains a transparent viewing region that enables testing of cell adhesion and imaging of cell morphology immediately before flow (Fig. 11A, B), at various time points during flow (Fig. 11C), and after flow (Fig. 11D). These experiments are illustrated with human umbilical cord blood-derived endothelial progenitor cells (EPCs) and porcine EPCs2,3.
This method is also applicable to other adherent cell types, e.g. smooth muscle cells (SMCs) or fibroblasts.
The chamber and all parts of the circuit are easily sterilized with steam autoclaving. In contrast to other chambers, e.g. microfluidic chambers, large numbers of cells (&gt; 1 million depending on cell size) can be recovered after the flow experiment under sterile conditions for cell culture or other experiments, e.g. DNA or RNA extraction, or immunohistochemistry (Fig. 11E), or scanning electron microscopy5. The shear stress can be adjusted by varying the flow rate of the perfusate, the fluid viscosity, or the channel height and width. The latter can reduce fluid volume or cell needs while ensuring that one-dimensional flow is maintained. It is not necessary to measure chamber height between experiments, since the chamber height does not depend on the use of gaskets, which greatly increases the ease of multiple experiments. Furthermore, the circuit design easily enables the collection of perfusate samples for analysis and/or quantification of metabolites secreted by cells under fluid shear stress exposure, e.g. nitric oxide (Fig. 12)6.

We are describing a method to subject adherent cells to laminar flow shear stress in a sterile continuous flow circuit. The cells' adhesion, morphology can be studied through the transparent chamber, samples obtained from the circuit for metabolite analysis and cells harvested after shear exposure for future experiments or culture.

במקביל, צלחת תזרים לשכת ואת מעגל זרימה רציפה להערכת ובתאים אנדותל תחת מתח זרימה למינרית שאר

The overall goal of this method is to describe a technique to subject adherent cells to laminar flow conditions and evaluate their response to well ...

A Microfluidic Device with Groove Patterns for Studying Cellular Behavior

We describe a microfluidic device with microgrooved patterns for studying cellular behavior. This microfluidic platform consists of a top fluidic channel and a bottom microgrooved substrate. To fabricate the microgrooved channels, a top poly(dimethylsiloxane) (PDMS) mold containing the impression of the microfluidic channels was aligned and bonded to a microgrooved substrate. Using this device, mouse fibroblast cells were immobilized and patterned within microgrooved substrates (25, 50, 75, and 100 &mu;m wide). To study apoptosis in a microfluidic device, media containing hydrogen peroxide, Annexin V, and propidium iodide was perfused into the fluidic channel for 2 hours. We found that cells exposed to the oxidative stress became apoptotic. These apoptotic cells were confirmed by Annexin V that bound to phosphatidylserine at the outer leaflet of the plasma membrane during the apoptosis process. Using this microfluidic device with microgrooved patterns, the apoptosis process was observed in real-time and analyzed by using an inverted microscope containing an incubation chamber (37&deg;C, 5% CO2). Therefore, this microfluidic device incorporated with microgrooved substrates could be useful for studying the cellular behavior and performing high-throughput drug screening.

We describe a protocol for the fabrication of microfluidic devices that can enable cell capture and culture. In this approach patterned microstructures such as grooves within microfluidic channels are used to create low shear stress regions within which cell can dock.

מכשיר microfluidic עם דפוסי Groove לחקר התנהגות נייד

We describe a microfluidic device with microgrooved patterns for studying cellular behavior.  This microfluidic platform consists of a top fluidic channel ...

Biology

A Microfluidic Device for Studying Multiple Distinct Strains

The study of cell responses to environmental changes poses many experimental challenges: cells need to be imaged under changing conditions, often in a comparative manner. Multiwell plates are routinely used to compare many different strains or cell lines, but allow limited control over the environment dynamics. Microfluidic devices, on the other hand, allow exquisite dynamic control over the surrounding conditions, but it is challenging to image and distinguish more than a few strains in them. Here we describe a method to easily and rapidly manufacture a microfluidic device capable of applying dynamically changing conditions to multiple distinct yeast strains in one channel. The device is designed and manufactured by simple means without the need for soft lithography. It is composed of a Y-shaped flow channel attached to a second layer harboring microwells. The strains are placed in separate microwells, and imaged under the exact same dynamic conditions. We demonstrate the use of the device for measuring protein localization responses to pulses of nutrient changes in different yeast strains.

We present a simple method to produce microfluidic devices capable of applying similar dynamic conditions to multiple distinct strains, without the need for a clean room or soft lithography.

מכשיר microfluidic ללימוד זני Distinct מרובים

The study of cell responses to environmental changes poses many experimental challenges: cells need to be imaged under changing conditions, often in a ...

A Microfluidic Technique to Probe Cell Deformability

Here we detail the design, fabrication, and use of a microfluidic device to evaluate the deformability of a large number of individual cells in an efficient manner. Typically, data for ~102 cells can be acquired within a 1 hr experiment. An automated image analysis program enables efficient post-experiment analysis of image data, enabling processing to be complete within a few hours. Our device geometry is unique in that cells must deform through a series of micron-scale constrictions, thereby enabling the initial deformation and time-dependent relaxation of individual cells to be assayed. The applicability of this method to human promyelocytic leukemia (HL-60) cells is demonstrated. Driving cells to deform through micron-scale constrictions using pressure-driven flow, we observe that human promyelocytic (HL-60) cells momentarily occlude the first constriction for a median time of 9.3 msec before passaging more quickly through the subsequent constrictions with a median transit time of 4.0 msec per constriction. By contrast, all-trans retinoic acid-treated (neutrophil-type) HL-60 cells occlude the first constriction for only 4.3 msec before passaging through the subsequent constrictions with a median transit time of 3.3 msec. This method can provide insight into the viscoelastic nature of cells, and ultimately reveal the molecular origins of this behavior.

We demonstrate a microfluidics-based assay to measure the timescale for cells to transit through a sequence of micron-scale constrictions.

טכניקת Microfluidic לחקור deformability הסלולרי

Here we detail the design, fabrication, and use of a microfluidic device to evaluate the deformability of a large number of individual cells in an ...

Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass based substrates, and hydrogel-based tube formation assays. These assays, while informative, do not recapitulate lumen geometry, proper extracellular matrix, and multi-cellular proximity, which play key roles in modulating vascular function. This manuscript describes an injection molding method to generate engineered vessels with diameters on the order of 100 &#181;m. Microvessels are fabricated by seeding endothelial cells in a microfluidic channel embedded within a native type I collagen hydrogel. By incorporating parenchymal cells within the collagen matrix prior to channel formation, specific tissue microenvironments can be modeled and studied. Additional modulations of hydrodynamic properties and media composition allow for control of complex vascular function within the desired microenvironment. This platform allows for the study of perivascular cell recruitment, blood-endothelium interactions, flow response, and tissue-microvascular interactions. Engineered microvessels offer the ability to isolate the influence from individual components of a vascular niche and precisely control its chemical, mechanical, and biological properties to study vascular biology in both health and disease.

This manuscript presents an injection molding method to engineer microvessels that recapitulate physiological properties of endothelium. The microfluidic-based process creates patent 3D vascular networks with tailorable conditions, such as flow, cellular composition, geometry, and biochemical gradients. The fabrication process and examples of potential applications are described.

Micropatterning והרכבת 3D microvessels

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass ...

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.

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 ...

Generation of Dynamical Environmental Conditions using a High-Throughput Microfluidic Device

Mimicking in vivo environmental conditions is crucial for in vitro studies on complex life machinery. However, current techniques targeting live cells and organs are either highly expensive, like robotics, or lack nanoliter volume and millisecond time accuracy in liquid manipulation. We herein present the design and fabrication of a microfluidic system, which consists of 1,500 culture units, an array of enhanced peristaltic pumps and an on-site mixing modulus. To demonstrate the capacities of the microfluidic device, neural stem cell (NSC) spheres are maintained in the proposed system. We observed that when the NSC sphere is exposed to CXCL in day 1 and EGF in day 2, the round-shaped conformation is well maintained. Variation in the input order of 6 drugs causes morphological changes to the NSC sphere and the expression level representative marker for NSC stemness (i.e., Hes5 and Dcx). These results indicate that dynamic and complex environmental conditions have great effects on NSC differentiation and self-renewal, and the proposed microfluidic device is a suitable platform for high throughput studies on the complex life machinery.

We present a microfluidic system for high throughput studies on complex life machinery, which consists of 1500 culture units, an array of enhanced peristaltic pumps and an on-site mixing modulus. The microfluidic chip allows for the analysis of the highly complex and dynamic micro-environmental conditions in vivo.

יצירת תנאי סביבה דינמיים באמצעות מכשיר מיקרופלואידי בעל תפוקה גבוהה

Mimicking in vivo environmental conditions is crucial for in vitro studies on complex life machinery. However, current techniques targeting live cells and ...

Developing 3D Organized Human Cardiac Tissue within a Microfluidic Platform

The leading cause of death worldwide persists as cardiovascular disease (CVD). However, modeling the physiological and biological complexity of the heart muscle, the myocardium, is notoriously difficult to accomplish in vitro. Mainly, obstacles lie in the need for human cardiomyocytes (CMs) that are either adult or exhibit adult-like phenotypes and can successfully replicate the myocardium&#39;s cellular complexity and intricate 3D architecture. Unfortunately, due to ethical concerns and lack of available primary patient-derived human cardiac tissue, combined with the minimal proliferation of CMs, the sourcing of viable human CMs has been a limiting step for cardiac tissue engineering. To this end, most research has transitioned toward cardiac differentiation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) as the primary source of human CMs, resulting in the wide incorporation of hiPSC-CMs within in vitro assays for cardiac tissue modeling.
Here in this work, we demonstrate a protocol for developing a 3D mature stem cell-derived human cardiac tissue within a microfluidic device. We specifically explain and visually demonstrate the production of a 3D in vitro anisotropic cardiac tissue-on-a-chip model from hiPSC-derived CMs. We primarily describe a purification protocol to select for CMs, the co-culture of cells with a defined ratio via mixing CMs with human CFs (hCFs), and suspension of this co-culture within the collagen-based hydrogel. We further demonstrate the injection of the cell-laden hydrogel within our well-defined microfluidic device, embedded with staggered elliptical microposts that serve as surface topography to induce a high degree of alignment of the surrounding cells and the hydrogel matrix, mimicking the architecture of the native myocardium. We envision that the proposed 3D anisotropic cardiac tissue-on-chip model is suitable for fundamental biology studies, disease modeling, and, through its use as a screening tool, pharmaceutical testing.

The goal of this protocol is to explain and demonstrate the development of a three-dimensional (3D) microfluidic model of highly aligned human cardiac tissue, composed of stem cell-derived cardiomyocytes co-cultured with cardiac fibroblasts (CFs) within a biomimetic, collagen-based hydrogel, for applications in cardiac tissue engineering, drug screening, and disease modeling.

פיתוח רקמת לב אנושית מאורגנת תלת מימדית בתוך פלטפורמה מיקרופלואידית

The leading cause of death worldwide persists as cardiovascular disease (CVD). However, modeling the physiological and biological complexity of the heart ...

Electrophysiological Recordings of Single-cell Ion Currents Under Well-defined Shear Stress

Fluid shear stress is well known to play a major role in endothelial function. In most vascular beds, elevated shear stress from acute increases in blood flow triggers a signaling cascade resulting in vasodilation thereby alleviating mechanical stress on the vascular wall. The pattern of shear stress is also well known to be a critical factor in the development of atherosclerosis with laminar shear stress being atheroprotective and disturbed shear stress being pro-atherogenic. While we have a detailed understanding of the various intermediate cell signaling pathways, the receptors that first translate the mechanical stimulus into chemical mediators are not completely understood. Mechanosensitive ion channels are critical to the response to shear and regulate shear-induced cell signaling thereby controlling the production of vasoactive mediators. These channels are among the earliest activated signaling components to shear and have been linked to shear-induced vasodilation through promoting nitric oxide production (e.g., inwardly rectifying K+ [Kir] and transient receptor potential [TRP] channels) and endothelium hyperpolarizing factor (e.g., Kir and calcium-activated K+ [KCa] channels) and shear-induced vasoconstriction through an undetermined mechanism that involves piezo channels. Understanding the biophysical mechanism by which these channels are activated by shear forces (i.e., directly or through a primary mechano-receptor) could provide potential new targets to resolve the pathophysiology associated with endothelial dysfunction and atherogenesis. It is still a major challenge to record flow-induced activation of ion channels in real time using electrophysiology. The standard methods to expose cells to well-defined shear stress, such as the cone and plate rheometer and closed parallel plate flow chamber do not allow real time study of ion channel activation. The goal of this protocol is to describe a modified parallel plate flow chamber that allows real time electrophysiological recording of mechanosensitive ion channels under well-defined shear stress.

The goal of this protocol is to describe a modified parallel plate flow chamber for use in investigating real time activation of mechanosensitive ion channels by shear stress.

הקלטות אלקטרופיזיולוגיות של זרמי יונים של תא בודד תחת לחץ הטיה מוגדר היטב

Fluid shear stress is well known to play a major role in endothelial function. In most vascular beds, elevated shear stress from acute increases in blood ...