PL219695B1 - System mikroprzepływowy do hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych i badania cytotoksyczności związków chemicznych - Google Patents
System mikroprzepływowy do hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych i badania cytotoksyczności związków chemicznychInfo
- Publication number
- PL219695B1 PL219695B1 PL399357A PL39935712A PL219695B1 PL 219695 B1 PL219695 B1 PL 219695B1 PL 399357 A PL399357 A PL 399357A PL 39935712 A PL39935712 A PL 39935712A PL 219695 B1 PL219695 B1 PL 219695B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- culture
- microcells
- spheroids
- well plate
- module
- Prior art date
Links
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title claims description 14
- 230000003013 cytotoxicity Effects 0.000 title claims description 6
- 231100000135 cytotoxicity Toxicity 0.000 title claims description 6
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 title 1
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 17
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 claims description 14
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 12
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 7
- -1 poly (dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 5
- 230000000384 rearing effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000012258 culturing Methods 0.000 claims description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 26
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 20
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 12
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 12
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 6
- 238000013537 high throughput screening Methods 0.000 description 6
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 6
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 6
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 5
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000009395 breeding Methods 0.000 description 4
- 230000001488 breeding effect Effects 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000002246 antineoplastic agent Substances 0.000 description 3
- 229940041181 antineoplastic drug Drugs 0.000 description 3
- 230000010261 cell growth Effects 0.000 description 3
- 210000004748 cultured cell Anatomy 0.000 description 3
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 3
- 210000005260 human cell Anatomy 0.000 description 3
- 238000010874 in vitro model Methods 0.000 description 3
- 210000005170 neoplastic cell Anatomy 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 2
- PLXBWHJQWKZRKG-UHFFFAOYSA-N Resazurin Chemical compound C1=CC(=O)C=C2OC3=CC(O)=CC=C3[N+]([O-])=C21 PLXBWHJQWKZRKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001464 adherent effect Effects 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 2
- 230000004663 cell proliferation Effects 0.000 description 2
- 239000006285 cell suspension Substances 0.000 description 2
- 238000013043 cell viability test Methods 0.000 description 2
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 2
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 2
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 2
- 239000003269 fluorescent indicator Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 2
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000021164 cell adhesion Effects 0.000 description 1
- 239000013553 cell monolayer Substances 0.000 description 1
- 230000036978 cell physiology Effects 0.000 description 1
- 238000003501 co-culture Methods 0.000 description 1
- 210000004292 cytoskeleton Anatomy 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000013931 endocrine signaling Effects 0.000 description 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005661 hydrophobic surface Effects 0.000 description 1
- 238000012606 in vitro cell culture Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002547 new drug Substances 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 230000014306 paracrine signaling Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000144 pharmacologic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- 150000003431 steroids Chemical class 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000002110 toxicologic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000027 toxicology Toxicity 0.000 description 1
Landscapes
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Description
Przedmiotem wynalazku jest system mikroprzepływowy do hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych i badania cytotoksyczności związków chemicznych.
Hodowle komórkowe in vitro są popularnym narzędziem dla badań podstawowych oraz testów toksykologicznych czy farmakologicznych. Szczególne znaczenie dla wdrażania nowych leków mają systemy HTS (High Throughput Screening) umożliwiające szybką i powtarzalną analizę wielu próbek jednocześnie. Większość rozwiązań dążących do automatyzacji oznaczeń bazuje na wykorzystaniu płytek wielodołkowych (96-cio, 384-ro lub 1536-cio dołkowych), co wiąże się z rozbudowanym zapleczem aparaturowym. Poszukuje się wysokosprawnych metod umożliwiających otrzymywanie wyników pozwalających przewidzieć działanie związku na żywy organizm. Metody takie doprowadziłyby do zmniejszenia liczby zwierząt wykorzystywanych w badaniach.
Modelem komórkowym najczęściej wykorzystywanym w systemach HTS jest monowarstwa komórek adherentnych. Jest to model wygodny w użyciu i stosunkowo prosty do analizy, jednak niewystarczający z punktu widzenia poszukiwania metod alternatywnych do testów na zwierzętach. Komórki wyizolowane z organizmu i hodowane w postaci monowarstwy na dnie naczynia hodowlanego tracą funkcje specyficzne dla danej tkanki. Otoczenie komórek w środowiskach in vivo oraz in vitro jest rozbieżne ze względu na brak bezpośrednich połączeń międzykomórkowych, różnice w topologii macierzy międzykomórkowej oraz brak sygnalingu parakrynnego i endokrynnego. W efekcie obserwuje znaczące rozbieżności w fizjologii komórek in vitro i in vivo - od budowy cytoszkieletu po zmiany w ekspresji genów.
Znany jest z publikacji Ziółkowska K. i in., marzec 2010, Sensors and Actuators B: Chemical, 145(1), 533-542 mikroukład do hodowli komórkowej. W szklanej płytce znajduje się macierz mikrokomór hodowlanych w układzie liniowym, przeznaczonych do prowadzenia hodowli komórek. Mikrokanały, korzystnie meandryczne, utworzone w płytce polimerowej, tworzą generator gradientu stężeń, zawierający dwa kanały wlotowe służące do wprowadzenia dwóch stężeń badanych substancji i kanały wylotowe połączone z mikrokomorami hodowlanymi i łączące mikrokomory hodowlane ze sobą wzdłuż mikroukładu. Od strony dwóch kanałów wlotowych znajdują się trzy mikrokanały, każdy następny etap generatora gradientu stężeń utworzony przez mikrokanały zawiera o jeden mikrokanał więcej. W ostatnim etapie generatora stężeń utworzonym przez mikrokanały znajduje się taka ilość mikrokanałów, która odpowiada ilości linii mikrokomór hodowlanych. W trakcie przepływu substancji przez generator gradientu stężeń następuje wymieszanie badanych substancji i tworzenie różnych stężeń. Pozwala to na otrzymanie macierzy mikrokomór z tyloma stężeniami badanej substancji w jednym kroku ile jest linii mikrokomór hodowlanych. Ponadto mikrosystem zawiera wywiercony w płytce polimerowej otwór do wprowadzenia komórek do mikroukładu oraz pożywek hodowlanych. Mikrokomory mają płaskie dno i uzyskane w nich hodowle komórkowe mają postać monowarstwy.
Wyniki najnowszych badań na temat różnic między środowiskami in vivo a in vitro są przesłanką do poszukiwania nowych modeli in vitro. Obiecujące jest stosowanie w badaniach trójwymiarowych struktur komórkowych - sferoidów. Komórki adherentne hodowane w naczyniach o odpowiednim, hydrofobowym charakterze powierzchni, zamiast monowarstwy tworzą kuliste agregaty zwane sferoidami. Trójwymiarowa struktura, obecność macierzy międzykomórkowej, przestrzenne połączenia międzykomórkowe oraz warstwowa budowa tkanki powodująca opory dyfuzyjne sprawiają, że steroidy są modelem in vitro znacznie przybliżającym warunki in vivo. Jest to model szczególnie atrakcyjny dla badań nad nowotworami, gdyż wykazano, że sferoidy zbudowane z komórek nowotworowych wykazują szereg cech identycznych z guzami in vivo. Jednak brak wygodnych i powtarzalnych metod hodowli sferoidów w znacznym stopniu ogranicza ich szerokie wykorzystanie w badaniach. Istnieje potrzeba poszukiwania nowych metod, pozwalających na włączenie sferoidów do badań nad lekami przeciwnowotworowymi.
Dotychczas opisano w literaturze kilka rozwiązań dotyczących hodowli sferoidów w układach mikroprzepływowych, jednak żadne z nich nie było kompatybilne z metodami analizy instrumentalnej. W ogromnej większości są to układy wymagające wieloetapowego wytwarzania, skomplikowanej obsługi oraz żmudnych metod detekcji (manualna obróbka obrazu mikroskopowego). Układy mikroprzepływowe do hodowli sferoidów złożone są z dwóch polimerowych płytek z których jedna, lub obie zawierają mikrostrukturę. Układy takie zawierają matrycę komór hodowlanych odpowiadających wielkościom pojedynczych sferoidów (poniżej 200 μm), z doprowadzeniem medium do każdej komory w postaci pojedynczego, wąskiego mikrokanału. Takie rozwiązanie powoduje wysokie wartości stresu
PL 219 695 B1 hydrodynamicznego działającego na pojedynczy sferoid. W przypadku układów zawierających mikrostrukturę w obu warstwach polimeru, precyzja dopasowania wzorów znacznie wpływa na funkcjonalność, a im dokładniejsze dopasowanie jest konieczne, tym koszt urządzenia wyższy. Ze względów technologicznych komory hodowlane są odseparowane od siebie i położone na dość znacznej powierzchni, dlatego też żadne z opisanych w literaturze rozwiązań nie było kompatybilne z metodami analizy instrumentalnej (czytnikami płytek wielodołkowych). Znane jest również rozwiązanie zawierające wiele nisz hodowlanych w jednej mikrokomorze, jednak są to nisze małe, mieszczące do kilkunastu komórek, co nie w pełni odzwierciedla warunki in vivo. Jako alternatywa, opublikowany został system kompatybilny z czytnikami płytek wielodołkowych wykorzystujący hodowlę sferoidów w wiszącej kropli, jednak ten sposób hodowli w znaczący sposób ogranicza możliwość wymiany medium hodowlanego (dostarczanie związków pokarmowych, odprowadzanie produktów metabolizmu), przez co zgodność otrzymanych wyników może być poddana w wątpliwość.
System mikroprzepływowy do hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych i badania cytotoksyczności związków chemicznych składa się z modułu mikroprzepływowego oraz płytki pozycjonującej, przy czym moduł mikroprzepływowy składa się z dwóch warstw wykonanych z poli(dimetylosiloksanu) (PDMS) - warstwy górnej z wykonanymi portami wlotowymi i portem wylotowym i warstwy dolnej. W warstwie dolnej wykonana jest część hodowlana oraz system mikrokanałów doprowadzających medium hodowlane/roztwór badanego związku. W części hodowlanej znajdują się mikrokomory a w każdej mikrokomorze znajdują się półsferyczne mikrodołki hodowlane. Mikrokomory ułożone są w serie a ilość serii odpowiada ilości wylotów generatora gradientu stężeń mikrokanałów. Korzystnie mikrokomory mają średnice 3 mm i głębokość 50 μm i ułożone są w matrycę 4x4: cztery serie po cztery mikrokomory. Korzystnie w każdej mikrokomorze znajduje się dwadzieścia półsferyczych mikrodołków hodowlanych o średnicach 200 μm i głębokościach 150 μm. Wielkość mikrokomór oraz ich wzajemne położenie są identyczne z wielkością i położeniem grupy dołków standardowej płytki 384-dołkowej natomiast płytka pozycjonująca moduł mikroprzepływowy w spektrofluorymetrycznym czytniku płytek wielodołkowych posiada wgłębienia pozycjonujące ściśle dopasowane do kształtu modułu mikroprzepływowego i ma wymiary zewnętrzne zgodne ze standardową płytką 384-dołkową.
Medium oraz badane związki doprowadzane są do mikrokomór systemem mikrokanałów tworzących generator gradientu stężeń. Za pomocą dwóch portów wlotowych doprowadzane są dwa roztwory o różnych stężeniach, które mieszane są w precyzyjny sposób w systemie mikrokanałów, dzięki czemu w czterech kanałach wylotowych znajdują się roztwory o ściśle zdefiniowanych stężeniach pośrednich. Do każdej z serii czterech mikrokomór doprowadzony jest roztwór związku o innym stężeniu, dzięki czemu możliwe jest badanie działania różnych stężeń związku w jednym eksperymencie. Porty wlotowe i wylotowe służą do montażu wężyków doprowadzających płyny.
Drugim elementem systemu będącego przedmiotem wynalazku jest płytka pozycjonująca moduł mikroprzepływowy w spektrofluorymetrycznym czytniku płytek wielodołkowych. Mikrokomory hodowlane modułu mikroprzepływowego położone są w miejscach odpowiadających położeniu dołków standardowej płytki 384-dołkowej, do której przystosowanych jest większość urządzeń sczytujących. Moduł mikroprzepływowy ma precyzyjnie określone wymiary, kształt i pozycję mikrokomór względem brzegu. Wgłębienia pozycjonujące w płytce pozycjonującej są ściśle dopasowane do kształtu modułu mikroprzepływowego. Ich położenie i wymiary zostały wytworzone z dużą dokładnością za pomocą techniki mikrofrezowania w materiale polimerowym. Płytka pozycjonująca ma wymiary zgodne ze standardową płytką wielodołkową. Montaż modułu mikroprzepływowego we wgłębieniu pozycjonującym prowadzi do uzyskania pozycji mikrokomór analogicznej z pozycją dołków w płytce 384-dołkowej.
Materiał, z którego wykonany jest moduł mikroprzepływowy (PDMS) promuje agregację komórek i tworzenie sferoidów. W przypadku wyjątkowo wymagających typów komórek, dopuszcza się chemiczną modyfikację powierzchni PDMS. Wielkość mikrodołków jest dobrana tak, aby zapewnić formowanie pojedynczych sferoidów komórek ludzkich w każdym dołku. Komórki wprowadzone do mikrodołka opadają na półsferyczne dno i agregują w centralnym jego miejscu, co prowadzi do otrzymania pojedynczych sferoidów w każdym mikrodołku. Wielkością otrzymanych sferoidów można sterować poprzez dobór odpowiedniej gęstości zawiesiny komórkowej. Ponadto moduł umożliwia wymywanie komórek niezagregowanych w mikrodołkach, co zapewnia precyzyjną kontrolę ilości i umiejscowienia materiału biologicznego. Stosunkowo duża średnica mikrokomór powoduje redukcję prędkości liniowej płynu przepływającego w części hodowlanej, co wpływa bezpośrednio na obniżenie stresu hydrodynamicznego działającego na komórki. Dzięki temu możliwa jest wielotygodniowa hodowla stabilnych sferoidów.
PL 219 695 B1
System będący przedmiotem wynalazku jest rozwiązaniem spełniającym wymagania stawiane nowoczesnym modelom in vitro: zapewnia wzrost komórek w postaci struktur trójwymiarowych (sferoidów), umożliwia ścisłą kontrolę nad warunkami hodowli, obserwację pojedynczych sferoidów oraz system detekcji kompatybilny z układami HTS.
System będący przedmiotem wynalazku może służyć do monitorowania wzrostu sferoidów. Jest to cecha unikatowa proponowanego systemu, gdyż brak jest obecnie instrumentalnych metod przystosowanych do monitorowania wzrostu trójwymiarowych struktur komórkowych. Do określania aktywności metabolicznej hodowanych komórek może posłużyć np. odczynnik alamarBlue®, który jest fluorescencyjnym wskaźnikiem zmian potencjału utleniająco-redukującego medium hodowlanego. Aktywność metaboliczna komórek prowadzi do redukcji odczynnika, a w efekcie do powstania fluorescencyjnego produktu reakcji. Moduł mikroprzepływowy zawierający hodowlę komórkową należy wypełnić roztworem odczynnika i po okresie inkubacji umieścić w płytce pozycjonującej, a następnie w spektrofluorymetrycznym czytniku płytek wielodołkowych. Sygnał intensywności fluorescencji pochodzący z każdej mikrokomory jest wprostproporcjonalny do ilości oraz stopnia proliferacji komórek w sferoidach zawartych w mikrodołkach danej mikrokomory. Przepływowy charakter systemu umożliwia wymycie odczynnika wskaźnikowego i dalsze prowadzenie hodowli. W trakcie wielotygodniowej hodowli sferoidów w module mikroprzepływowym, istnieje możliwość wielokrotnego powtórzenia opisanego wyżej doświadczenia.
System będący przedmiotem wynalazku może posłużyć również do oceny aktywności leków przeciwnowotworowych. W tym celu w module mikroprzepływowym prowadzi się hodowlę komórek nowotworowych w postaci sferoidów. W odpowiednio dobranym momencie hodowli (sugeruje się by była to faza logarytmicznego wzrostu komórek) podaje się lek w taki sposób, że jednym portem wlotowym wprowadzane jest medium hodowlane, natomiast drugim roztwór leku w medium hodowlanym o stężeniu CMAX. Po przeprowadzeniu strumieni przez generator gradientu stężeń, do poszczególnych serii mikrokomór wprowadzane są roztwory o kolejnych stężeniach: o CMAX (czyste medium hodowlane - kontrola), 0,33 CMAX, 0,67 CMAX oraz CMAX. Po określonym czasie inkubacji z lekiem przeprowadza się test żywotności komórek analogicznie do sposobu opisanego powyżej. Możliwe jest również wykorzystanie innych testów żywotności opartych na detekcji spektrofluorymetrycznej.
Przepływowy charakter systemu umożliwia wymycie leku oraz odczynnika wskaźnikowego i dalsze prowadzenie hodowli. W trakcie wielotygodniowej hodowli sferoidów w module mikroprzepływowym, istnieje możliwość wprowadzania powtórnych dawek leku, jak również powtarzanie testów żywotności. Prowadzi to do unikatowej możliwości testowania powtórzonych dawek leku w warunkach in vitro, jak również określania cytotoksyczności opóźnionej.
Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia rzut ukośny modułu mikroprzepływowego do hodowli pojedynczych sferoidów z zachowaniem proporcji rzeczywistych, Fig. 2 przedstawia schematyczny przekrój przez układ mikroprzepływowy w proporcjach nierzeczywistych, Fig. 3 przedstawia rzut ukośny przykładu płytki pozycjonującej moduł mikroprzepływowy w czytniku płytek wielodołkowych, Fig. 4 przedstawia przykładowe pozycjonowania modułów mikroprzepływowych w czytniku płytek wielodołkowych (linią przerywaną zaznaczono pola, w których zachodzi detekcja za pomocą czytnika płytek 384-dołkowych).
P r z y k ł a d 1. Moduł mikroprzepływowy 10 do hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych składa się z części hodowlanej 2a oraz systemu mikrokanałów 4 doprowadzających medium hodowlane/roztwór badanego związku. Elementy modułu wytworzone są z poli(dimetylosiloksanu) (PDMS). Moduł mikroprzepływowy 10 składa się z dwóch warstw: warstwy dolnej 8 zawierającej wklęsły, trójwymiarowy wzór mikrostruktury oraz warstwy uszczelniającej 7 zawierającej otwory wlotowe 5 i wylotowe 6. Część hodowlana 2a jest skonstruowana tak, aby zapewnić wielodniową hodowlę trójwymiarowych agregatów komórkowych. W części hodowlanej 2a znajdują się mikrokomory 2 średnicy 3 mm i głębokości 50 μm ułożone w matrycę 4x4: cztery serie po cztery mikrokomory. W każdej m ikrokomorze 2 znajduje się dwadzieścia półsferyczych mikrodołków hodowlanych 1 o średnicach 200 μm i głębokościach 150 μm. W sumie układ zawiera 320 mikrodołków 1 (po 20 w każdej mikrokomorze) do hodowli pojedynczych sferoidów. Wielkość mikrokomór 2 oraz ich wzajemne położenie są identyczne z wielkością i położeniem grupy 16 (4x4) dołków standardowej płytki 384-dołkowej . Medium oraz badane związki doprowadzane są do mikrokomór 2 systemem mikrokonałów 4 tworzących generator gradientu stężeń. Na końcu każdego mikrokanału znajduje się kanał wylotowy 3 łączący mikrokanały 4 z mikrokomorami 2. Za pomocą dwóch portów wlotowych 5 doprowadzane są dwa roztwory o różnych stężeniach, które mieszane są w precyzyjny sposób w mikrokanałach 4, dzięki
PL 219 695 B1 czemu w czterech kanałach wylotowych 3 znajdują się roztwory o ściśle zdefiniowanych stężeniach pośrednich. Do każdej z serii czterech mikrokomór 2 doprowadzony jest roztwór związku o innym stężeniu, dzięki czemu możliwe jest badanie działania różnych stężeń związku w jednym eksperymencie. Porty wlotowe 5 i wylotowe 6 służą do montażu wężyków doprowadzających płyny.
Materiał, z którego wykonany jest układ (PDMS) promuje agregację komórek i tworzenie sferoidów. W przypadku wyjątkowo wymagających typów komórek, dopuszcza się chemiczną modyfikację powierzchni PDMS. Wielkość mikrodołków 1 jest dobrana tak, aby zapewnić formowanie pojedynczych sferoidów komórek ludzkich w każdym dołku. Komórki wprowadzone do mikrodołka 1 opadają na półsferyczne dno i agregują w centralnym jego miejscu, co prowadzi do otrzymania pojedynczych sferoidów 9 w każdym mikrodołku 1. Wielkością otrzymanych sferoidów można sterować poprzez dobór odpowiedniej gęstości zawiesiny komórkowej. Ponadto wynalazek umożliwia wymywanie komórek niezagregowanych w mikrodołkach 1, co zapewnia precyzyjną kontrolę ilości umiejscowienia materiału biologicznego. Stosunkowo duża średnica mikrokomór 2 powoduje redukcję prędkości liniowej płynu przepływającego w części hodowlanej, co wpływa bezpośrednio na obniżenie stresu hydrodynamicznego działającego na komórki. Dzięki temu możliwa jest wielotygodniowa hodowla stabilnych sferoidów.
Istotnym elementem systemu będącego przedmiotem wynalazku jest sposób pozycjonowania modułu mikroprzepływowego w spektrofluorymetrycznym czytniku płytek wielodołkowych. Urządzenia kompatybilne z czytnikami płytek wielodołkowych wpisują się w powszechne dążenia do opracowywania systemów HTS (High Throughput Screening). Mikrokomory hodowlane 2 modułu mikroprzepływowego 10 położone są w miejscach odpowiadających położeniu dołków standardowej płytki 384-dołkowej, do której przystosowanych jest większość urządzeń sczytujących. Moduł mikroprzepływowy 10 ma precyzyjnie określone wymiary, kształt i pozycję mikrokomór 2 względem brzegu. Wgłębienia pozycjonujące 11a i 11b wykonane w płytce pozycjonującej 11 są ściśle dopasowane do kształtu modułu mikroprzepływowego 10. Ich położenie i wymiary zostały wytworzone z dużą dokładnością za pomocą techniki mikrofrezowania w materiale polimerowym. Płytka pozycjonująca 11 ma wymiary zgodne ze standardową płytką wielodołkową. Montaż modułu mikroprzepływowego 10 we wgłębieniu pozycjonującym 11a prowadzi do uzyskania pozycji mikrokomór 4 analogicznej z pozycją dołków w płytce 384-dołkowej.
Użytkowanie modułu rozpoczyna się od sterylizacji poprzez ekspozycję na promieniowanie UV oraz przepływ 70% wodnego roztworu alkoholu etylowego. Tak przygotowany system wypełnia się medium hodowlanym, a następnie zawiesiną ludzkich komórek określonego typu (lub mieszaniną komórek różnych typów w celu stworzenia kokultury lub multikultury). Uszczelniony moduł umieszcza się w inkubatorze CO2 do hodowli komórkowych. Poli(dimetylosiloksan), z którego zbudowany jest moduł, zapewnia wymianę gazową z atmosferą inkubatora, dzięki czemu możliwa jest efektywna hodowla. Ze względu na hydrofobowy charakter powierzchni poli(dimetylosiloksanu) uniemożliwiona jest adhezja komórek i w ciągu pierwszych kilkunastu godzin hodowli następuje agregacja komórek w mikrodołkach, a następnie tworzenie sferoidów. Przepływ medium zastosowany po 24 godzinach od wprowadzenia komórek, wymywa niezagregowane komórki z wężyków i mikrokanałów, pozostawiając trójwymiarowe agregaty jedynie w mikrodołkach hodowlanych.
Hodowlę sferoidów prowadzi się przy okresowej wymianie medium w układzie. Reżim wymiany medium oraz jego skład należy dobrać stosownie do typu hodowanych komórek. System będący przedmiotem wynalazku może służyć do monitorowania wzrostu sferoidów. Do określania aktywności ® metabolicznej hodowanych komórek może posłużyć np. odczynnik alamarBlue®, który jest fluorescencyjnym wskaźnikiem zmian potencjału utleniająco-redukującego medium hodowlanego. Aktywność metaboliczna komórek prowadzi do redukcji odczynnika, a w efekcie do powstania fluorescencyjnego produktu reakcji. Moduł mikroprzepływowy zawierający hodowlę komórkową należy wypełnić roztworem odczynnika i po okresie inkubacji umieścić w płytce pozycjonującej, a następnie w spektrofluorymetrycznym czytniku płytek wielodołkowych. Sygnał intensywności fluorescencji pochodzący z każdej mikrokomory jest wprostproporcjonalny do ilości oraz stopnia proliferacji komórek w sferoidach zawartych w mikrodołkach danej mikrokomory. Przepływowy charakter systemu umożliwia wymycie odczynnika wskaźnikowego i dalsze prowadzenie hodowli. W trakcie wielotygodniowej hodowli sferoidów w module mikroprzepływowym, istnieje możliwość wielokrotnego powtórzenia opisanego wyżej doświadczenia.
P r z y k ł a d 2. System będący przedmiotem wynalazku może posłużyć również do oceny aktywności leków przeciwnowotworowych. W tym celu w module mikroprzepływowym prowadzi się ho6
PL 219 695 B1 dowlę komórek nowotworowych w postaci sferoidów. W odpowiednio dobranym momencie hodowli (sugeruje się by była to faza logarytmicznego wzrostu komórek) podaje się lek w taki sposób, że jednym portem wlotowym wprowadzane jest medium hodowlane, natomiast drugim roztwór leku w medium hodowlanym o stężeniu CMAX. Po przeprowadzeniu strumieni przez generator gradientu stężeń, do poszczególnych serii mikrokomór wprowadzane są roztwory o kolejnych stężeniach: 0 CMAX (czyste medium hodowlane - kontrola), 0,33 CMAX, 0,67 CMAX oraz CMAX. Po określonym czasie inkubacji z lekiem przeprowadza się test żywotności komórek analogicznie do sposobu opisanego w przykładzie 1. Możliwe jest również wykorzystanie innych testów żywotności opartych na detekcji spektrofluorymetrycznej. Przepływowy charakter systemu umożliwia wymycie leku oraz odczynnika wskaźnikowego i dalsze prowadzenie hodowli. W trakcie wielotygodniowej hodowli sferoidów w module mikroprzepływowym, istnieje możliwość wprowadzania powtórnych dawek leku, jak również powtarzanie testów żywotności. Prowadzi to do unikatowej możliwości testowania powtórzonych dawek leku w warunkach in vitro, jak również określania cytotoksyczności opóźnionej.
Claims (5)
1. System mikroprzepływowy do hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych i badania cytotoksyczności związków chemicznych, zawierający moduł mikroprzepływowy (10) składający się z dwóch warstw wykonanych z poli(dimetylosiloksanu) (PDMS) - warstwy górnej (7) z wykonanymi portami wlotowymi (5) i portem wylotowym (6) i warstwy dolnej (8), w której wykonana jest część hodowlana (2a) oraz system mikrokanałów (4) doprowadzających medium hodowlane/roztwór badanego związku, przy czym mikrokomory (2) ułożone są w serie a ilość serii odpowiada ilości wylotów mikrokanałów (3), znamienny tym, że w części hodowlanej (2a) w każdej mikrokomorze (2) znajdują się półsferyczne mikrodołki hodowlane (1) a ponadto posiada płytkę pozycjonującą (11) moduł mikroprzepływowy (10) w spektrofluorymetrycznym czytniku płytek wielodołkowych posiadającą wgłębienia pozycjonujące (11a) i (11b) ściśle dopasowane do kształtu modułu mikroprzepływowego (10) i płytka ta ma wymiary zgodne ze standardową płytką 384-dołkową a równocześnie wielkość mikrokomór (2) oraz ich wzajemne położenie są identyczne z wielkością i położeniem grupy dołków standardowej płytki 384-dołkowej.
2. System według zastrz. 1, znamienny tym, że mikrokomory (2) mają średnice 3 mm i głębokość 50 μm.
3. System według zastrz. 1, znamienny tym, że mikrokomory (2) ułożone są w matrycę 4x4: cztery serie po cztery mikrokomory.
4. System według zastrz. 1, znamienny tym, że w każdej mikrokomorze (2) znajduje się dwadzieścia półsferyczych mikrodołków hodowlanych (1).
5. System według zastrz. 1, znamienny tym, że półsferyczne mikrodołki hodowlane (1) mają średnice 200 μm i głębokość 150 μm.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL399357A PL219695B1 (pl) | 2012-05-29 | 2012-05-29 | System mikroprzepływowy do hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych i badania cytotoksyczności związków chemicznych |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL399357A PL219695B1 (pl) | 2012-05-29 | 2012-05-29 | System mikroprzepływowy do hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych i badania cytotoksyczności związków chemicznych |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL399357A1 PL399357A1 (pl) | 2013-12-09 |
| PL219695B1 true PL219695B1 (pl) | 2015-06-30 |
Family
ID=49684160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL399357A PL219695B1 (pl) | 2012-05-29 | 2012-05-29 | System mikroprzepływowy do hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych i badania cytotoksyczności związków chemicznych |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL219695B1 (pl) |
-
2012
- 2012-05-29 PL PL399357A patent/PL219695B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL399357A1 (pl) | 2013-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kamei et al. | An integrated microfluidic culture device for quantitative analysis of human embryonic stem cells | |
| US9353343B2 (en) | Cell culture and gradient migration assay methods and devices | |
| US20160340631A1 (en) | Layered microfluidic array | |
| US10144945B2 (en) | Layered microfluidic living cell array | |
| US20030077817A1 (en) | Microfermentor device and cell based screening method | |
| CN104412109A (zh) | 细胞培养和梯度迁移化验方法和装置 | |
| US11118150B2 (en) | Layered microfluidic array | |
| EP2895589B1 (en) | Substance exposure apparatus | |
| AU2002303311A1 (en) | Microfermentor device and cell based screening method | |
| DK2680961T3 (en) | Process for monitoring a reaction and reaction system for carrying it out | |
| Lee et al. | Unified 2D and 3D cell-based high-throughput screening platform using a micropillar/microwell chip | |
| US20140322701A1 (en) | Miniaturized, automated in-vitro tissue bioreactor | |
| CN106434346A (zh) | 用于氧气梯度下药物筛选的芯片及其制备方法与应用 | |
| Wang et al. | Recent Advances of Concentration Gradient Microfluidic Chips for Drug Screening | |
| TW202303146A (zh) | 生物晶片 | |
| CN119799484A (zh) | 一种高通量药物筛选和类器官培养装置 | |
| WO2020226519A1 (en) | Magnetic microfluidic device for high-throughput screening | |
| PL219695B1 (pl) | System mikroprzepływowy do hodowli trójwymiarowych struktur komórkowych i badania cytotoksyczności związków chemicznych | |
| Saupe et al. | Droplet-based cell viability assay for analysis of spheroid formation, proliferation and high-resolution IC 50 profiling | |
| US11377634B2 (en) | 3D micro fabrication and screening | |
| Jiang et al. | Exploring the impact of microfluidic chip structure on the efficacy of three-dimensional tumor microspheres cultivation | |
| Bhanpattanakul et al. | Triangular microwell for single cell trapping and short-term culturing: Cellular study and analysis of Leukemia cell line. | |
| JP2024542065A (ja) | 3次元細胞物質を生成し分析するための装置および方法 | |
| Dorrigiv et al. | Pixelated microfluidics for drug screening on tumour spheroids and ex vivo microdissected primary tissue | |
| BR102021015397B1 (pt) | Dispositivo microfluídico com selagem reversível para triagem de fármacos e comportamento celular |