Mikrofluidik für die Zellbiologie
Die Vorteile der Flusskontrolle für Zellbiologie und Mikroskopie
- Kontrolle der Scherspannung
- Automatisierte Zufuhr mehrerer Flüssigkeiten
- Langzeitperfusion
Welche Vorteile bietet die Mikrofluidik in der Biologie?
Die Entwicklung der Mikrofluidik hat viele Vorteile für die biologische Forschung mit sich gebracht. Durch die Miniaturisierung und Automatisierung der Versuchsaufbauten sinkt der Verbrauch von Proben und Reagenzien deutlich. Auch die Versuchszeiten werden erheblich verkürzt und die Gesamtkosten der Anwendungen reduziert. Zudem ermöglichen kleine Probenmengen Trennungs- und Nachweisverfahren mit hoher Auflösung und Sensitivität bei geringeren Kosten.
Dank dieser neuen Generation von Techniken und Geräten eröffnen sich der biologischen Forschung außerdem neue Möglichkeiten: Mit Mikrofluidik lassen sich präzisere Ergebnisse erzielen, Nachweisgrenzen senken und sogar mehrere Analysen gleichzeitig durchführen.
Weitere Informationen finden Sie in unserem Whitepaper zur Mikrofluidik.
Wichtigste Anwendungen der Mikrofluidik in der Zellbiologie
RNA- und DNA-Hybridisierung
Seit Jahrzehnten wird die In-situ-Hybridisierung zunehmend eingesetzt, um die Lokalisation, Struktur und Expression bestimmter DNA- und RNA-Sequenzen in Geweben zu erfassen. Die hohe Sensitivität und Spezifität dieses Verfahrens beruht auf der Hybridisierung markierter Oligonukleotidsonden mit den Zielsequenzen von DNA oder RNA im Gewebe. Chromosomale Mikrodeletionen, Amplifikationen, Strukturveränderungen, Translokationen und Expressionsmuster lassen sich damit leicht nachweisen.
Im Gegensatz zu PCR-Analysen, Northern Blots oder DNA-Microarrays, die mit lysierten Zellen durchgeführt werden, liefert die Hybridisierung räumliche Informationen, da bestimmte RNA- und DNA-Sequenzen direkt im Gewebe nachgewiesen werden. Sie hat die Genkartierung, die Zytogenetik und verschiedene diagnostische Verfahren deutlich verbessert, etwa in der Onkologie, Pränataldiagnostik und bei Virusinfektionen.
Durch den Einsatz von Mikrofluidik in der Zellbiologie wurde die Technologie kürzlich um eine zeitliche Dimension erweitert: Die Verfahren können nun auch an lebenden Zellen durchgeführt werden. Die räumlich-zeitliche Expression, der Abbau und die Speicherung von RNA-Molekülen lassen sich heute eingehend untersuchen, indem die Hybridisierung markierter Oligonukleotide in lebenden Zellen in Echtzeit bildlich erfasst wird.
Wirkstoffkombinationen und Langzeitperfusion
In verschiedenen Therapiebereichen, etwa bei Glaukom, Gefäßerkrankungen, HIV und Krebs, erweisen sich Wirkstoffkombinationen häufig als wirksamer bei der Behandlung von Krankheiten. Insbesondere die Onkologie hat den Weg für diesen Ansatz bereitet. Die Profilierung mittels Next-Generation-Sequencing hat die Heterogenität vieler Krebsarten aufgedeckt, die den unterschiedlichen Behandlungsergebnissen zugrunde liegt. Deshalb entwickeln sich Therapiestrategien zunehmend hin zu Kombinationen mehrerer zielgerichteter Wirkstoffe. Sie sollen Krebszellen wirksam hemmen und der Entstehung von Resistenzen entgegenwirken, während gesunde Zellen möglichst wenig beeinträchtigt werden.
Eine Kombinationstherapie mit Wirkstoffen ist nicht immer unkompliziert, da die Ergebnisse in vielen Fällen nicht einfach der Summe der Einzelwirkungen entsprechen. Es können Wechselwirkungen auftreten, die in fünf Kategorien eingeteilt werden: geringes Risiko und synergistische Wirkung, geringes Risiko ohne synergistische Wirkung, Vorsicht, unsicher und gefährlich. Um die Wirksamkeit einer Wirkstoffkombination zu beurteilen, sollten der Beitrag und die Dosierung jedes Wirkstoffs hinsichtlich Dosis, Häufigkeit und Dauer genau untersucht werden.
Mikrofluidik in der Zellbiologie bietet daher vielversprechende Möglichkeiten für die Krebsdiagnostik und dient zugleich als neues Werkzeug zur Erforschung der Krebsbiologie. Dank ihrer hohen Sensitivität, ihres hohen Durchsatzes, des geringeren Materialverbrauchs, der niedrigen Kosten und der verbesserten räumlich-zeitlichen Kontrolle ist Mikrofluidik ein wertvolles Instrument für die Krebsforschung.
Immunfärbung
Immunfärbeexperimente bestehen aus mehrstufigen Protokollen zum Nachweis bestimmter Antigene in biologischen Proben. Dabei wird die Probe nacheinander mit Fixiermitteln, Waschpuffern und Sonden inkubiert oder diesen ausgesetzt.
Bei herkömmlichen Protokollen in Petrischalen oder Mikrotiterplatten werden Flüssigkeiten manuell mit Pipetten zugegeben. Die Lösungen werden dabei direkt auf die Probe aufgetragen.
Bei der Übertragung eines Protokolls von einer Petrischale auf ein mikrofluidisches Format sind meist kleinere Anpassungen erforderlich, da Zellen oder Gewebeproben den Lösungen anders ausgesetzt werden. Der Einsatz von Mikrofluidik in der Zellbiologie bietet daher viele Vorteile, da Petrischalen durch mikrofluidische Kammern, also geschlossene Systeme, ersetzt werden können. Lösungen lassen sich dann nicht direkt auf die Zellen auftragen, sondern werden mit kontrollierter Flussrate über die Probe geleitet und erreichen so alle Zellen gleichmäßig.
Mit einem Drehventil in Kombination mit einem Perfusionssystem können zu festgelegten Zeitpunkten verschiedene Lösungen durch den Chip oder die Kammer geleitet werden. Außerdem spart die automatisierte, sequenzielle Zufuhr von Lösungen Zeit und verhindert die Bildung von Luftblasen im Chip, die beim Ab- und Wiederanschließen einer herkömmlichen Pumpe entstehen können.
Wie wichtig ist die Kontrolle des mikrofluidischen Flusses in der Zellbiologie?
Bei der Wirkstoffentwicklung ist es wichtig, die Flussrate der verwendeten Probe zu kontrollieren. Werden mehrere Formulierungen getestet, müssen Forschende die Flussrate steuern und zugleich bei jedem Schritt des Experiments eine gleichbleibende Kontrolle über die Flüssigkeitshandhabung gewährleisten können.
DNA- und RNA-Hybridisierungen werden häufig unter einem Mikroskop durchgeführt. Eine manuelle Injektion am Mikroskop kann aus folgenden Gründen riskant sein:
- Eine Berührung mit der Pipettenspitze kann die Schale verschieben und dazu führen, dass die Position falsch erfasst wird.
- Proben können beim Pipettieren weggespült werden.
- Flüssigkeit kann auf das Mikroskop verschüttet werden.
Auf dem Markt verfügbare Flussregler
Spritzenpumpen
Für die Flüssigkeitssteuerung im Submillimeterbereich stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Häufig kommen Spritzenpumpen zum Einsatz. In der Mikrofluidik, insbesondere in der Zellbiologie, sind Spritzenpumpen jedoch oft problematisch, da sie keinen konstanten Fluss erzeugen. Diese Unstetigkeit ist auf den mechanischen Aufbau zurückzuführen, der einen pulsierenden Fluss verursacht.
Manuelle Injektion
Zu den aktuellen Verfahren zur Zufuhr mehrerer Flüssigkeiten, bei denen gleichzeitig mikroskopische Verfahren erforderlich sind und meist manuell pipettiert wird, zählen Immunmarkierungen sowie DNA- und RNA-Hybridisierungen. Manuelle Injektionen können zu unkontrollierten und ungleichmäßigen Fließgeschwindigkeiten führen, die Proben beschädigen können.
| Pipette | Aria | |
|---|---|---|
| Art der Injektion | Abrupte Injektionen (bis zu 1 ml in wenigen Sekunden) Unterschiedliche Injektionen Turbulente Strömung | Gleichmäßige und kontrollierte Injektionen Reproduzierbare Injektionen Laminarer Fluss |
| Geometrie an der Injektionsspitze | Konische Form: hohe Scherbelastung Ungleichmäßige Fließgeschwindigkeit | Gerade Form: keine Veränderung an der Injektionsspitze |
Druckbasierte Flusskontrolle von Fluigent
Mit der steigenden Nachfrage nach mikrofluidischen Pumpen mit höherer Flussstabilität, schnellerer Reaktionszeit, vielseitigen Einsatzmöglichkeiten und Automatisierungsfunktionen sind Druckregler für viele Anwender zum Gerät der Wahl geworden.
Das Funktionsprinzip dieser Pumpen besteht darin, die Probenreservoirs unter Druck zu setzen und so den Druckabfall zwischen Einlass und Auslass des mikrofluidischen Systems zu kontrollieren. Wie schnell sich die erzeugte Flussrate anpassen lässt, hängt von der Reaktionszeit der Druckpumpe ab.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, automatisiert Fluigents Aria die Zufuhr mehrerer Flüssigkeiten. Die Probe bleibt erhalten, während die Flussrate kontrolliert wird. Zudem erhöht sich die Reproduzierbarkeit, da Unterschiede zwischen verschiedenen Anwendern und zwischen einzelnen Versuchen derselben Person vermieden werden.
Omi entdecken – die automatisierte Organ-on-Chip-Plattform
Omi ist eine automatisierte Plattform, mit der sich das mikrophysiologische Verhalten von Organen in mikrofluidischen Chips nachbilden lässt. Sie ist mit verschiedenen Chiptypen kompatibel und eignet sich für unterschiedliche Zellkulturen und Organ-on-Chip-Modelle, etwa für Darm, Haut oder Leber.
