Microfluidics for Cell Biology
The Advantages of Flow Control for Cell biology and Microscopy
- Shear stress control
- Automation of multiple fluid delivery
- Long term perfusion
What are the advantages of microfluidics in biology?
The development of microfluidics has brought many advantages for biological research. Indeed, due to the miniaturization and the automation of the setups, the consumption of sample and reagent is largely decreased, the experiment times are considerably reduced and the global costs of the applications are minimized. Moreover, working with small quantities allows better carry out separations and detection with high resolution and sensitivity at reduced costs.
Finally, thanks to this new generation of techniques and equipments, new capabilities are offered for biology research since microfluidics allows to obtain more accurate results, to reduce detection limits and even to perform multiple analyses simultaneously.
To learn more about it, feel free to reed our white paper about microfluidic.
Main applications of microfluidics in cell biology
RNA and DNA Hybridization
For decades, in situ hybridization has been used with greater frequency to capture the localization, structure and expression of specific DNA and RNA sequences within tissues. The high sensitivity and specificity of this technique relies on the hybridization of labelled oligonucleotide probes to targeted DNA or RNA sequences within tissues. Chromosomal microdeletion, amplification, structure, translocation and expression can be easily detected.
Compared to PCR analysis, Northern Blotting or a DNA microarray performed on lysed cells, hybridization provides spatial information as specific RNA and DNA are detected within tissues. It has significantly improved gene mapping, cytogenetics and various diagnostic techniques (oncogenic, prenatal, viral infection, etc.).
Recently, with the use of microfluidic for cell biology, a temporal dimension was added to the technology, as it further evolved to be performed on living cells. The spatio-temporal expression, degradation and storage of RNA molecules can now be thoroughly investigated by real time imaging of the hybridization of labelled oligonucleotides in living cells.
Drug Combination and Long-Term Perfusion
In various therapeutic areas (glaucoma, vascular, HIV, oncology), a combination of drugs is typically found to be more effective for disease treatment. Oncology, in particular, has paved the way for this approach. The emergence of next-generation sequencing technology profiling has revealed the heterogeneity in many cancers at the origin of the differential response to treatment. As a result, therapeutic strategies are evolving towards multi-targeted drug combinations that effectively inhibit the cancer cells and block the emergence of drug resistance while selectively incurring minimal side effects on healthy cells.
Drug combination therapy is not straight forward as in many cases the results do not equal the sum of the parts. Cross-reactions are observed and fall into 5 categories: low risk & synergy, low risk & no synergy, caution, unsafe, and dangerous. The contribution and dosage of each active molecule should be closely investigated in terms of dose, frequency and duration to evaluate the efficacy of the drug combination.
Therefore, microfluidics for cell biology holds great promise in cancer diagnosis and also serves as an emerging tool for understanding cancer biology. Microfluidics can be a valuable tool in cancer investigation due to its high sensitivity, high throughput, less material-consumption, low cost, and enhanced spatio-temporal control.
Immunostaining
Immunostaining experiments are mult-istep protocols to detect specific antigens in biological samples. The sample is successively incubated or exposed to fixation agents, washing buffers, and probes.
In conventional protocols on petri dishes or well plates, fluid deliveries are performed manually using pipettes. Solutions are directly added to the sample.
Transferring protocols from a Petri dish to a microfluidic format usually requires some minor adjustments, as cells or tissue samples are exposed to solutions differently. Therefore, the use of microfluidic for cell biology provides many advantages by replacing the use of Petri dishes with microfluidic chambers (closed systems). Consequently, solutions cannot be deposited directly on the top of the cells but are perfused over the sample at a controlled flow rate, reaching all cells homogeneously. The use of a rotary valve with a perfusion system enables one to perfuse different solutions at given time points in the chip or chamber. In addition, automating the sequential delivery of solutions saves time and avoids creating bubbles inside the chips by disconnecting and reconnecting the traditional pump to the chip.
Resources
How important is the microlfluidic flow control in cell biology?
In drug discovery, it‘s important to control the flow rate of the sample used. As multiple formulations are tested, experimenters must be able to control flow rate while keeping the same level control of fluid handling at each stage of the experiment. DNA and RNA hybridization are often performed under a microscope. Manual injection over a microscope can be risky for the following reasons:
- A touch of pipette cone can misplace the dish and misrecord the position
- Samples can be flushed away during pipetting
- Liquid can be spilled over the microscope
Flow Controllers Available on the Market
Syringe Pumps
Multiple flow control technologies are available for sub-millimeter range fluid management. Syringe pumps are commonly used for fluid control. However, in microfluidics, particularly in microfluidics for cell biology, the use of syringe pumps is often problematic because the flow is not constant. This discontinuity is due to the mechanical system that creates an oscillating flow.
Manual Injection
Current methods for multiple fluid delivery, where microscopy techniques are simultaneously required and mostly made by manual pipetting action include , Immunolabeling, and DNA and RNA hybridization.. Manual injection can lead to uncontrolled and non-homogeneous fluid velocity, which can damage samples.
| Pipette | Aria | |
|---|---|---|
| Type of injections | Abrupt injections (up to 1mL in few seconds) Disparate injections Turbulent flow | Smooth & controled injections Identical injections Laminar flow |
| Geometry at injecion tip | Conic shape: Important shear strain Unhomogeneous fluid velocity | Straight shape: No modification at the injection tip |
Fluigent Pressure-Based Flow Control
As the demand for microfluidic pumps with higher flow stability, fast response time, versatility, and automation capabilities has increased, pressure controllers have become the device of choice for many users.
The working principle of such pumps is to pressurize the sample reservoirs to control the pressure drop between the inlet and the outlet of the microfluidic system. The responsiveness of the generated flow rate depends on the responsiveness of the pressure pump.
To overcome these issues, Fluigent’s Aria automates multiple fluid deliveries. The sample is preserved as the flow rate is controlled. Reproducibility increases as inter and intra operator variability are eliminated.
Discover Omi, Automated Organ-on-chip platform
Omi is an automated platform that helps reproduce the microphysiological behavior of organs inside microfluidic chips. It is compatible any type of chips to sustain different cell culture types or organ on chip models (Gut, Skin, Liver…)
Was sind Emulsionen und Tröpfchen?
Eine Emulsion ist ein heterogenes System, das aus mindestens einer nicht mischbaren Flüssigkeit besteht, die in einer anderen in Form von Tröpfchen dispergiert ist. Wenn nicht emulgiert wird, werden die beiden Flüssigkeiten getrennt, wobei die weniger dichte Phase auf der dichteren Phase liegt. Salatdressings sind gängige Beispiele für Emulsionen. In einer Vinaigrette, die aus einer wässrigen Phase (dem Essig) und einer öligen Phase (Olivenöl) besteht, werden die beiden Phasen getrennt, wenn sie nicht emulgiert werden. Durch Schütteln der Vinaigretteflasche wird der Essig in der kontinuierlichen Ölphase verteilt, so dass eine Emulsion entsteht. Bei einer Emulsion wird eine Flüssigkeit (die sogenannte dispergierte Phase) in der anderen (der kontinuierlichen Phase) dispergiert.
Wasser in Öltröpfchen
Was sind die häufigsten Anwendungen von Emulsionen?
Verkapselung von Biomolekülen in Polymeren [1]
Pharmazie: Emulsionen werden für eine Vielzahl pharmazeutischer Produkte verwendet, darunter intravenöse, intramuskuläre, okuläre oder orale Produkte. Emulsionen werden auch als Vorlagen für Polymer-Mikropartikel, Lipid-Nanopartikel oder Mikrokapseln verwendet. Letztere können z. B. für die Verabreichung von Arzneimitteln verwendet werden, wobei die Emulsion selbst der aktive pharmazeutische Wirkstoff (API) oder ein Adjuvans für die gleichzeitige Verabreichung ist.
Lebensmittelindustrie: Durch die einzigartige Natur von Emulsionen als thermodynamisch stabile Dispersionen, die mit einer Größenverteilung unterschiedlich großer Tröpfchen erzeugt werden, sind sie für verschiedene Anwendungen in der Lebensmittelindustrie geeignet.
Die Nanoencapsulation, in diesem Beispiel ein vielversprechender Ansatz für die gezielte Abgabe und kontrollierte Freisetzung von Vitaminen. [2]
Kosmetische Produkte, die mit Hilfe der Mikrofluidik-Technologie entwickelt wurden.
Kosmetik: Produkte auf Emulsionsbasis in Kosmetik bieten eine feine Textur und ein angenehmes Gefühl beim Auftragen. Sie können auch die Löslichkeit von relativ schwach löslichen Stoffen verbessern. In letzter Zeit sind “Millifluidik”-Geräte auf den Markt gekommen, mit denen Emulsionen erzeugt werden können, die mit bloßem Auge sichtbar sind, was die Entwicklung einzigartiger Produkte mit hoher optischer Attraktivität ermöglicht.
Warum die Tropfen-mikrofluidik?
1) Die Grenzen der herkömmlichen Methoden zur Tropfenerzeugung
Zu den Standardmethoden für die Tropfenerzeugung gehören mechanische Geräte wie Hochgeschwindigkeitsmischer, Hochdruckhomogenisatoren und Kolloidmühlen.
Das Aufbrechen von Tropfen erfolgt in der Regel durch Scher- oder Stoßbelastungen, die durch manuelles/mechanisches Rühren erzeugt werden. Unter solchen Bedingungen sind die erzeugten Spannungen in der Regel nicht gleichmäßig über das System verteilt. Infolgedessen haben die erzeugten Emulsionen eine polydisperse Größe. Dies kann bei vielen Anwendungen eine starke Einschränkung darstellen, da die Stabilität von Emulsionen von der Größe abhängt.
Herstellung von Mikroemulsionen mittels a) Batch-Verfahren und b) mikrofluidischem Verfahren
2) Mikrofluidische Geräte für kontrollierte Emulsionen
Die Tropfenerzeugung mit mikrofluidischen Systemen wurde für Anwendungen eingeführt, bei denen die Monodispersität von großer Bedeutung ist. In mikrometergroßen Kanälen wird jeweils ein Tropfen erzeugt, was die Herstellung monodisperser Tropfen ermöglicht. Mit einem solchen Maß an Kontrolle sind Anwendungen möglich geworden, die vorher nicht möglich gewesen wären, wie z. B. die digitale PCR und die Verkapselung einzelner Zellen in Tröpfchen. Es ist auch eine hervorragende Methode für Anwendungen, die teure API (Active Pharmaceutical Ingredient) verwenden, da weniger Abfall anfällt. In einem typischen mikrofluidischen System ist der mikrofluidische Chip mit einem oder mehreren Fluidikreglern verbunden, die die Flüssigkeiten in den Chip injizieren. Die Tropfenerzeugung hängt hauptsächlich von der Größe der mikrofluidischen Kanäle, den Flüssigkeitseigenschaften (Viskosität) und den verwendeten Durchflussraten ab.
Mikrofluidik-basierte Tropfenerzeugung und -kontrolle ermöglicht :
- Hochgradig monodisperse (<2% Größenvariation) Tropfenproduktion, im Gegensatz zu Batch-Emulsionsmethoden, mit relativ hoher Frequenz
- Hochgradig reproduzierbare komplexe Strukturen (Mehrfachemulsionen, Emulsionen mit mehreren Kernen …)
- Manipulation eines einzelnen Tropfen als individueller biochemischer Reaktor im pL-Maßstab.
- Miniaturisierung von Produktions- und bioanalytischen Geräten
Überwindung der Beschränkungen bei den Materialien und der Oberflächenbehandlung von Dropletchips.
Die meisten handelsüblichen mikrofluidischen Tropfengeneratoren basieren auf einer planaren, strömungsfokussierenden Konfiguration, die in Polymer- oder Glas-Chips implementiert ist. Diese Geometrie hat viele Einschränkungen, wie die Notwendigkeit spezifischer Beschichtungen oder die Verwendung spezieller Tenside.
Im Gegensatz dazu stellen auf Glaskapillaren basierende Geräte für die Tropfenerzeugung eine große Verbesserung dar, da die dispergierte Phase nie mit den Wänden der äußeren Kapillare in Kontakt kommt (a,b).
Sie sind schwierig zu implementieren (Zentrierung der Kapillare), und kommerziell verfügbare Designs haben sich als wenig flexibel für die Tropfenproduktion erwiesen (> 100 µm Durchmesser, < 1 kHz Erzeugungsrate). Die Zentrierung kann vereinfacht werden, indem zwei kreisförmige Kapillaren in eine quadratische äußere Strömungskapillare eingesetzt werden ( c,d), aber die damit verbundenen Herstellungsverfahren schränken die Produktion in großem Maßstab ein, und eine kapillarbasierte Tropfenproduktion mit hohem Durchsatz ist noch nicht erreicht worden. Eine neue Konfiguration bietet eine vielversprechende Alternative, bei der das Extraktionsrohr vor dem Injektionsrohr platziert wird, ohne dass die Umgebung eingeschlossen wird (e). Dieses System funktioniert jedoch nur im Jetting-Regime, was nicht die Monodispersität der Tropfen garantiert, die mit dem Dripping-Regime verbunden ist.
Verfügbare kapillarbasierte achsensymmetrische Designs von Tröpfchengeneratoren.
Raydrop: Ein nicht eingebetteter mikrofluidischer Tropfengenerator mit Co-Flow-Fokussierung
Fluigent und Secoya haben ihr Fachwissen gebündelt, um ein neues System zu entwickeln, das auf der letztgenannten Konfiguration basiert, bei dem jedoch das Tropfsystem durch die Verwendung einer Injektionskapillare mit einem kleineren Durchmesser als die Extraktionskapillare erzwungen wird. Erreicht wird dies durch eine verbesserte Kombination aus modernsten Bearbeitungs- und 3D-Drucktechniken. Dieses Design weist sowohl die Merkmale einer Co-Flow- als auch einer Flow-Focusing-Konfiguration auf und wird als “ Co-Flow-Focusing-Design” bezeichnet. Diese Konfiguration füllt die Lücke in der Designpalette der mikrofluidischen Tropfengeneratoren.
a) Explosionszeichnung und b) zusammengesetzte Ansicht des Raydrop. (c) Der Raydrop mit den Injektions- und Extraktionskapillaren aus Glas. (d) Zoom durch das obere Fenster der beiden Kapillaren, die in der mit der kontinuierlichen Phase gefüllten Kammer angeordnet sind. (e) Zoom auf den kapillarbasierten Tropfen-erzeugungsbereich.
Beispiele von PLGA-Mikroperlen
Der Raydrop ist ein einfach zu bedienender, kommerziell erhältlicher mikrofluidischer Chip, der es ermöglicht, Tropfen mit hervorragender Monodispersität zu erzeugen.
Der Raydrop® ermöglicht die Herstellung von einfachen Emulsionen (Öl-in-Wasser und Wasser-in-Öl) sowie von Doppelemulsionen (Öl-in-Wasser-in-Öl oder Wasser-in-Öl-in-Wasser) ohne Beschichtung.
Doppelemulsionen haben im Vergleich zu einfachen Emulsionen viele Vorteile. Sie sind in der Regel stabiler, neigen weniger zur Koaleszenz und sind einfacher zu handhaben und zu analysieren. Da sich Doppelemulsionen leicht in einer wässrigen kontinuierlichen Phase dispergieren lassen (was bei Einfachemulsionen im Bereich der Biowissenschaften weniger der Fall ist), können sie mit automatischer Zellsortierung wie der fluoreszenzaktivierten Zellsortierung (FACS) charakterisiert und sortiert werden. Darüber hinaus eignen sich Doppelemulsionen hervorragend zur Herstellung von Mikrokapseln durch Verfestigung der Hülle.
Beispiele von PLGA- (links) und Chitosan-Mikrokapseln (rechts)
Beispiele von PLGA- (links) und Chitosan-Mikrokapseln (rechts)
Welche Rolle spielt die Durchflussrate bei der Tröpfchenbildung?
Die Stabilität der Durchflussrate ist entscheidend für wiederholbare Reaktorvolumina und reproduzierbare Ergebnisse. Spritzenpumpen werden häufig für die Erzeugung von Tröpfchen in mikrofluidischen Experimenten verwendet. Je nach Modell haben Spritzenpumpen eine begrenzte Durchflusskontrolle. Daher wird die Tröpfchengröße, die proportional zur Durchflussrate ist, beeinflusst. Die tatsächliche Durchflussrate kann mit solchen Geräten nicht überwacht werden. Der Wert der Flussrate wird auf dem Gerät angezeigt, aber es gibt keine Informationen über die Zeit, die benötigt wird, um eine bestimmte Flussrate zu erreichen (die Zeit für das Gleichgewicht der Durchflussrate kann je nach mikrofluidischem Aufbau variieren, und die Durchflussrate kann je nach Gerät schwanken). Eine Alternative zu Spritzenpumpen sind unsere druckbasierten Flow EZ-Druckregler. Diese zeigen, dass eine hochpräzise Flusskontrolle, eine hohe Reaktionszeit und eine Flussüberwachung möglich sind. Im Vergleich zur Spritzenpumpe wurde ein stabiler und wiederholbarer Fluss erzeugt.
Referenzen
- Iqbal, M., Zafar, N., Fessi, H., & Elaissari, A. (2015). Double emulsion solvent evaporation techniques used for drug encapsulation. International Journal of Pharmaceutics. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2015.10.057
- Katouzian, I., Jafari, S.M., Nano-encapsulation as a promising approach for targeted delivery and controlled release of vitamins, Trends in Food Science & Technology (2016), https://doi: 10.1016/j.tifs.2016.05.002
Flow-EZ Druckflussregler
Der Flow EZ stellt eine innovative Lösung für die präzise Handhabung von Flüssigkeiten dar. Dieser druckgesteuerte Durchflussregler wurde für eine nahtlose Integration und präzise Steuerung entwickelt und bietet eine unvergleichliche Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit im Fluidmanagement für verschiedene Anwendungen, insbesondere für Zellkultur- und Organ-on-a-Chip-Anwendungen.
Mit seiner benutzerfreundlichen Oberfläche und seinem kompakten Design vereinfacht der Flow EZ die Durchführung von Experimenten und ermöglicht es Forschern, Durchflussraten und Drücke mühelos und mit außergewöhnlicher Genauigkeit zu manipulieren. Dieses Instrument ist ein unverzichtbares Werkzeug für die präzise Kontrolle von Flüssigkeiten und erleichtert verschiedene Experimente in Bereichen wie der Zellbiologie und der pharmazeutischen Forschung.
Merkmale des FlowEZ
- Erweiterbar auf bis zu 12 Module: Wenn Sie Ihren Arbeitsablauf erweitern, bietet das thFlow EZ™-System eine beispiellose Skalierbarkeit und ermöglicht die nahtlose Integration von bis zu 12 Modulen. Jeder mikrofluidische Durchflussregler fungiert als unabhängiger und dedizierter Druckkanal, der optimale Kontrolle und Flexibilität bei Ihren Experimenten gewährleistet.
- Druck- und Vakuumkontrolle: Mit den Modulen der Flow EZ™-Reihe wird die präzise Druck- und Vakuumregelung zum Kinderspiel. Stellen Sie Drücke von -800 mbar bis 7 bar präzise ein, um optimale Bedingungen für Ihre Experimente zu gewährleisten.
- Lokale manuelle Steuerung: Übernehmen Sie das Kommando, ohne an einen PC gebunden zu sein! Die Flow EZ™-Hardwareschnittstelle ermöglicht die lokale Steuerung, so dass Sie die Einstellungen direkt über das Modul vornehmen können.
- Präzision bei der Flüssigkeitszufuhr: Das System mit einer FLOW UNIT bietet eine hohe Kontrolle über die Durchflussraten und eine präzise Volumendosierung und bietet einen dynamischen Bereich, der auf die Anforderungen Ihres Experiments zugeschnitten ist.
- Anpassbare Reservoir-Optionen: Das Flow EZ™ eignet sich für ein Spektrum von Reservoirgrößen, von 2 mL bis zu Ein-Liter-Laborflaschen. Der Durchfluss ist über längere Zeiträume stabil, ohne dass häufiges Nachfüllen erforderlich ist, und gewährleistet so tagelanges, ununterbrochenes Experimentieren.
Beispiel einer Anwendung mit FlowEZ
Roger D. Kamm vom MIT und sein Team (1) haben ein fortschrittliches mikrofluidisches Modell entwickelt, das die menschliche Blut-Hirn-Schranke (BHS) simuliert und mit dem Flow-EZ-Druckregler von Fluigent integriert ist. Dieser Aufbau ermöglicht quantitative Analysen der Gefäßpermeabilität. Ihr mikrofluidisches Gerät, das in Nature Protocols vorgestellt wurde, ist ein innovatives Modell der menschlichen BHS. Es ahmt die vaskuläre Morphologie, die entsprechende zelluläre Organisation, die Transportfähigkeiten und die relevanten Gen-/Proteinexpressionsprofile nach, die für eine umfassende Forschung unerlässlich sind.
Nat Protoc 17, 95–128 (2022). https://doi.org/10.1038/s41596-021-00635-w
Automatisierte Organ-on-a-Chip-Plattform
Omi, die automatisierte Organ-on-a-Chip-Plattform von Fluigent, ist die neueste Ergänzung auf dem Gebiet der Organ-on-a-Chip-Technologie. Sie ermöglicht die Rationalisierung und Verbesserung des Forschungsprozesses für Wissenschaftler und Forscher.
Omi bietet eine automatisierte Kontrolle über verschiedene Parameter, die es den Forschern ermöglicht, komplexe physiologische Umgebungen genau nachzuahmen. Mit seiner benutzerfreundlichen Oberfläche und der präzisen Fluidiksteuerung ermöglicht diese Plattform eingehende Untersuchungen zellulärer Interaktionen, Krankheitsmodellierung, Medikamententests und vieles mehr.
Mit ihrem modularen Design und ihrer hohen Anpassungsfähigkeit unterstützt die Plattform die problemlose Nachbildung verschiedener Organ-on-Chip-Modelle und bietet Flexibilität und Skalierbarkeit. Sie wurde entwickelt, um experimentelle Arbeitsabläufe zu optimieren, und gewährleistet effiziente und reproduzierbare Ergebnisse. Sie ermöglicht die langfristige Rezirkulation, Injektion und Entnahme von Flüssigkeiten auf eine Weise, die die Erstellung von Protokollen für komplexe Organ-on-a-Chip-Studien vereinfacht.
Merkmale der automatisierten Organ-on-a-Chip-Plattform, Omi
- Vielseitigkeit: Omi bietet anpassbare Protokolle, einschließlich Perfusion, Rezirkulation, Injektion und Probenahme mit Präzision und Leichtigkeit. Dank des mitgelieferten Adapters ist es auch für jede Art von mikrofluidischem Chip geeignet.
- Kompakt und tragbar: Omi passt in Inkubatoren und unter das Mikroskop. Er ermöglicht einen einfachen Wechsel zwischen Inkubator, Haube und Mikroskop, ohne dass der Fluss unterbrochen wird.
- Ferngesteuert: über WIFI-Verbindung und die Omi-Anwendung für iOS/Android, die die Einrichtung und Überwachung von Protokollen ermöglicht und ultimativen Komfort und Kontrolle bietet.
- Autonomie: mit einer Batterielebensdauer von 2 Stunden, die einen reibungslosen Übergang vom Inkubator zu den Bildgebungssystemen für unterbrechungsfreie Experimente und Analysen ermöglicht.
- Datenspeicherung in der Cloud für leichteren Zugriff.
Zellperfusionspaket für hohen Durchsatz
Das von Fluigent angebotene Organ-on-Chip-Perfusionspaket für die Hochdurchsatzforschung stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der biomedizinischen Forschung dar. Dieses Paket wurde entwickelt, um die Organ-on-Chip-Forschung durch Multiplexing und Entwicklung von Hochdurchsatz-Experimenten einen Schritt weiter zu bringen! Es ermöglicht die Perfusionskontrolle für mehrere Organ-on-a-Chip-Modelle gleichzeitig.
Mit seiner benutzerfreundlichen Schnittstelle gewährleistet es die präzise Steuerung von Durchflussraten, Drücken und Probenentnahme bei mehreren Experimenten und maximaler Chip-Perfusion.
Das Paket enthält den Fluigent MFCS-EX Microfluidic Flow Controller, Sensoren für bidirektionale Durchflusseinheiten, den BeOnChip Microfluidic Chip und ein Inkubator-kompatibles Reservoir-Haltersystem.
Merkmale des Hochdurchsatz-Zellperfusionspakets
- Stabile und komplexe Flussmuster: Mit dem Cell Perfusion Pack sind wir in der Lage, eine beispiellose Reaktionsfähigkeit zu erreichen und komplizierte Flussmuster, wie zum Beispiel Druckschwankungen in der Aorta, effektiv zu reproduzieren. Diese präzise Steuerung garantiert ein konsistentes und verlässliches experimentelles Umfeld und reduziert die experimentelle Variabilität erheblich.
- Protokollautomatisierung und eine benutzerfreundliche Schnittstelle: Nach der Optimierung der Parameter wird die Automatisierung der Protokolle zum entscheidenden Schritt für Zeiteffizienz, Kontaminationsreduzierung und Minimierung der Variabilität. Fluigent-Durchflusssteuerungen bieten die Möglichkeit, Protokolle mithilfe einer benutzerfreundlichen Software (OxyGEN) nahtlos zusammenzustellen und zu automatisieren, wodurch die Automatisierung beliebiger Protokolle, Ventile oder Druckeinstellungen ermöglicht wird.
- Vielseitig & anpassbar: Diese Einrichtung kann mit jeder Art von mikrofluidischem Chip und für jede Art von Anwendung verwendet werden. Die Modularität des Zellperfusionspakets ermöglicht es Forschern, Experimente zu entwerfen, die auf ihre individuellen Forschungsfragen zugeschnitten sind.
Beispiel für eine Anwendung der Plattform
Dieser Aufbau ermöglicht die Evaluierung potenzieller Arzneimittelkandidaten in einem realistischeren physiologischen Kontext. Seine Hochdurchsatzfähigkeiten erleichtern das gleichzeitige Screening mehrerer Wirkstoffe, wodurch sich die Fristen für die Arzneimittelentdeckung verkürzen und die Kosten senken lassen.
In diesem Anwendungsbeispiel entwickelten Chakrabarty et al. (2) eine neuartige mikrofluidische Cancer-on-a-Chip-Plattform zur Bewertung des Ansprechens von Patienten auf eine Behandlung. Diese Plattform gewährleistet kontrollierte Wachstumsbedingungen für Tumorgewebeschnitte und ermöglicht eine genaue Vorhersage der Behandlungsergebnisse für Brust- und Prostatatumor-Modelle. Bemerkenswerterweise konnte die Kulturdauer auf bis zu 14 Tage ausgedehnt werden, ohne die Gewebequalität zu beeinträchtigen, was die Robustheit der Plattform für längere Experimente unter Beweis stellt.
Abbildung: Querschnitt des Cancer-on-a-Chip, der die Diffusion und Perfusion zum Gewebeschnitt zeigt. Die CoC-Plattform ist für die gesamte Kulturdauer an das Hochdurchsatz-Zellperfusionspaket von Fluigent angeschlossen (2).
Mikrofluidik-Chips für Zellkulturen & Organ-on-chip-Modelle
Die Mikrofluidik zeichnet sich durch eine präzise Kontrolle der zellulären Mikroumgebung aus und ermöglicht es den Zellen, mechanische und biochemische Signale mit außergewöhnlicher Präzision zu empfangen. Organ-on-Chip schafft ein optimales Umfeld für die Untersuchung der molekularen und zellulären Dynamik, die die menschliche Organfunktion bestimmt, und erleichtert die Entdeckung potenzieller therapeutischer Ziele in einer kontrollierten In-vitro-Umgebung.
Fluigent bietet eine breite Palette von Mikrofluidik-Chips für verschiedene Anwendungen wie Zellkultur, Organ-on-Chip, Chemotaxis-Assays usw. an. Sie reichen von Standard-Flusszellen für die Mikroskopie bis hin zu 3D-Zellkulturgeräten.
- Be-flow: für 2D- und 3D-Zellkulturen
- Be-doubleFlow: Es besteht aus zwei durchströmbaren Kanälen, die über eine poröse Membran verbunden sind
- Be-gradient Barrier Free: Entwickelt für die Anwendung von elektrochemischen Gradienten in 3D-Zellkulturen
- Be-transFlow: Ermöglicht die Untersuchung komplexer Kulturkonfigurationen durch die Verbindung eines Kulturraums mit einem mikrofluidischen Kanal über eine poröse Membran. Dies ist das optimale Gerät für Air Liquid Interface (ALI)-Kulturen, Endothel/Epithel-Barriere und Crosstalk-Studien.
- Focht Chamber System 2 (FCS2®): Es handelt sich um ein geschlossenes System für die Mikrobeobachtung von lebenden Zellen. Neben der gleichmäßigen Temperaturregelung und der benutzerdefinierbaren Perfusionsfunktion ist sie mit allen Mikroskopieverfahren kompatibel.
Referenzen
- Nat Protoc 17, 95–128 (2022). https://doi.org/10.1038/s41596-021-00635-w
- Chakrabarty S, Quiros-Solano WF, Kuijten MMP, Haspels B, Mallya S, Lo CSY, Othman A, Silvestri C, van de Stolpe A, Gaio N, Odijk H, van de Ven M, de Ridder CMA, van Weerden WM, Jonkers J, Dekker R, Taneja N, Kanaar R, van Gent DC. A Microfluidic Cancer-on-Chip Platform Predicts Drug Response Using Organotypic Tumor Slice Culture. Cancer Res. 2022 Feb 1;82(3):510-520. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-21-0799. Epub 2021 Dec 6. PMID: 34872965; PMCID: PMC9397621.