Wir beschreiben eine Methode, um unter adhärenten Zellen eine laminare Strömung Schubspannung in einem sterilen kontinuierlichen Kreislauf. Die Zellen "Haftung kann Morphologie durch die transparente Kammer untersucht werden, Proben aus der Schaltung für Metabolit-Analyse und-Zellen nach Scher-Belastung für zukünftige Experimente oder Kultur geerntet wurden.
Das übergeordnete Ziel dieser Methode ist es, eine Technik, um anhaftenden Zellen zu Laminar-Flow-Bedingungen unterliegen und bewerten ihre Reaktion auf gut quantifizierbar Flüssigkeit Schubspannungen 1 beschreiben.
Unsere Flow-Design und Flow-Schaltung (Bild 1) enthält eine transparente Anzeige Region, die Erprobung von Zell-Adhäsion und Bildgebung von Zell-Morphologie ermöglicht unmittelbar vor Strömung (Abb. 11A, B), zu verschiedenen Zeitpunkten während der Strömung (Abb. 11C) und nach Strömung (Abb. 11D). Diese Experimente sind mit humanen Nabelschnur dargestellt Blut gewonnene endothelialen Vorläuferzellen (EPC) und Schweinen EPCs 2,3.
Diese Methode ist auch anwendbar auf andere Anhänger Zelltypen, wie zB glatten Muskelzellen (SMC) oder Fibroblasten.
Die Kammer und alle Teile der Schaltung sind leicht mit Dampf Autoklavieren sterilisiert. Im Gegensatz zu anderenKammern, kann z. B. Mikrofluid Kammern, eine große Anzahl von Zellen (> 1 Mio. je nach Größe der Zellen) nach dem Flow Experiment unter sterilen Bedingungen für die Zellkultur oder andere Experimente, zB DNA-oder RNA-Extraktion oder Immunhistochemie (Abb. 11E) wiederhergestellt werden, oder Rasterelektronenmikroskopie 5. Die Schubspannung kann durch Variation der Strömungsgeschwindigkeit des Perfusat, der Viskosität der Flüssigkeit oder des Kanals in Höhe und Breite angepasst werden. Letzteres kann zu reduzieren Flüssigkeitsvolumen oder Zelle muss gleichzeitig sicherstellen, dass eindimensionale Tempo beibehalten wird. Es ist nicht notwendig, Kammer Höhe zwischen den Experimenten zu messen, da die Kammer Höhe nicht auf die Verwendung von Dichtungen, das erhöht die Leichtigkeit von mehreren Experimenten ab. Darüber hinaus das Schaltungsdesign leicht ermöglicht die Sammlung von Perfusat Proben für die Analyse und / oder Quantifizierung von Stoffwechselprodukten von Zellen unter Schubspannung Exposition ausgeschieden, z. B. Stickstoffmonoxid (Abb. 12) 6 </sup>.
Unsere Flow-Schaltung und Flusskammer es uns ermöglichen, adhärente Zellen, z. B. EPC, definiert Flüssigkeit Schubspannungen Thema. Da die Kammer oben und unten sind transparent, Zelladhäsion und Morphologie kann entweder in Echtzeit ausgewertet werden, durch die Kammer selbst, oder nach einer Flow Experiment und Demontage der Flusskammer. An diesem Punkt können die Zellen unter sterilen Bedingungen geerntet und entweder neu verchromt oder verwendet werden, um ihre DNA oder RNA, etc., zur weiteren Analyse zu sammeln.
Um dies zu erreichen laminare Strömung, muss der Aufbau der Kammer sein, dass mehrere Bedingungen erfüllt sind.
Erstens muss die Strömung laminar, die durch die Berechnung ihrer Reynolds-Zahl (Re), die das Verhältnis der Trägheitskräfte zu viskosen Kräften überprüft werden kann. (Wenn viskosen Kräfte dominieren, ist Re klein und die Strömung laminar oder "voll entwickelt" – in der Regel für Re <2300.Wenn Trägheitskräfte überwiegen, die Strömung mehr und mehr zufällig wird, bis es turbulent wird, wie es der Fall für Re> 4000). Wir berechnen Re nach Gleichung 3 8,
Wo ρ die Dichte der Flüssigkeit ist, Q die Flussrate, μ die Viskosität ist, werden w und h die Breite und die Höhe der Kammer, bzw., und D h ist der hydraulische Durchmesser, definiert nach Gleichung 4 8,
Die Reynolds-Zahl von unseren drei Strömungskammern, mit Höhen zwischen 166 bis 267 mu m, Reichweite von 13,9 bis 34,6 bei Flussraten cerechnet zu einer Schubspannung von 15 dyn / cm 2 zu erhalten. Bei Flussraten für eine Schubspannung von 100 dyn / cm 2 berechnet, lagen die Reynolds-Zahl der Kammern von 90,4 bis 234. Alle diese Reynolds-Zahlen sind viel niedriger als 2300 und das Kriterium für die laminare Strömung.
Zweitens, für die Geschwindigkeit ein und Schubspannung werden unabhängig von der Entfernung entlang der Strömungskanal (dh voll entwickelten), der Abstand von der Fluideinlass zu rutschen muss länger sein als der Eingang Länge, L e. Dies kann durch die Berechnung der Eingang Länge zufrieden sein, nach Gleichung 5 9.
Für die oben aufgeführten Werte liegt der Eingang Länge von 0,01 bis 0,25 cm.
Drittens, um sicherzustellen, dass die Geschwindigkeit und Schubspannung in der seitlichen Richtung nicht ändernwesentlich von dem Wert für eindimensionale Gerinne (Δ Ph / 2L), muss das Verhältnis h / w sehr viel weniger als 1 ist. Für den durchschnittlichen Wandschubspannung unter zweidimensionalen Strömungsverhältnisse zu 95% der Wandschubspannung unter eindimensionale fließen kann, muss h / w gleich 0,10, und für die Wandschubspannung unter zweidimensionalen Strömungsverhältnisse zu sein 97,5% der Wandschubspannung unter eindimensionale fließen kann, muss h / w gleich 0,05. Mit den Dimensionen unserer konzipiert Flusskammer 1,7 cm in der Breite und 166 bis 267 mu m Höhe, sind diese Kriterien erfüllt.
Der Druck wird nur unterschiedlich in der Fließrichtung, wenn es keine seitlichen Druckgradienten am Eingang sind. Dies kann unter Verwendung von Farbstoffen oder Partikel in den Strömungsweg werden. Weitere, für die stetigen Versuche, ist ein Pulsationsdämpfer in den Fluss Schaltung eingefügt. Die Pulsationsdämpfer nimmt den größten Teil der pulsgibt Auskunft über die durch die Rollenpumpe in der Schaltung, und ermöglicht es uns, etwa die Übernahme der stetigen Fluss. Zu beachten ist, sollte der Pulsationsdämpfer eingesetzt werden mit der Pumpe und Schlauch in der Schaltung verwendet, so dass es effektiv beseitigen können Pulsationen in den Förderstrom für die spezifischen Frequenzen der Rollenpumpe. In unserer Demonstration der Masterflex L / S Pulsationsdämpfer erreicht laminare Strömung, wenn auf der Druckleitung mit einem Masterflex L / S-Serie Pumpe (0 bis 600 RPMs) und I / P 26 Schläuche. Für pulsatilen Fluss kann eine programmierbare Pumpe verwendet, um verschiedene Wellenformen erzeugen.
Für pulsatilen Fluss kann eine programmierbare Pumpe verwendet, um verschiedene Wellenformen erzeugen.
Darüber hinaus ist die Schaltung so, dass Proben von Perfusat konzipiert leicht zu unterschiedlichen Zeitpunkten, ohne die Gefahr einer Verunreinigung der Zellen oder Flow Medium gesammelt werden. In unserem Beispiel ist die Konzentration von NO 2 – wurde durch Chemilumineszenz mit gemessenenein Ionics / Sievers Stickstoffoxid Analyzer (NOA 280, Sievers Instruments, Boulder, CO), wie zuvor 10 beschrieben. Das Reduktionsmittel für Nitrit-Analyse verwendet wurde Kaliumiodid in Essigsäure (14,5 M Essigsäure und 0,05 M KI), die das Reduktionspotenzial zu Nitrit zu NO konvertiert hat, aber nicht ausreicht, um einem höheren Stickstoffoxide wie Nitrat zu reduzieren und somit relativ spezifisch für Nitrit. Der Gesamtbetrag Nitrit produziert wurde als das Produkt der Konzentration produziert und das Gesamtvolumen der Schaltung berechnet während der Einstellung für die Lautstärke verloren während der Einnahme von Proben 6.
Die folgenden Schritte sind entscheidend für die erfolgreiche Durchführung von Flow-Experimente:
Eine mögliche Einschränkung unserer Flusskammer ist, dass die Höhe von der Höhe des Kanals maschinell in die Aluminium befestigt ist. Dies hat jedoch den Vorteil, nicht zu überprüfen, und stellen Sie die Höhe des Kanals vor jedem Experiment und vereinfacht somit die Schubspannung Berechnungen lediglich die Anpassung der Pumpenleistung auf den gewünschten Wert. Abhängig von Ihrer Forschungsziele, kann es wünschenswert sein,Erhöhung der Schubspannung ohne Erhöhung Pumpendrehzahl. In diesem Fall werden wir die Erhöhung der Perfusat die Viskosität zu empfehlen, indem z. B. Dextran, um das Medium 11.
Eine mögliche Einschränkung der Strömung Schaltung ist die große Menge des verwendeten Mediums, was problematisch sein kann, wenn versucht wird, um sehr kleine Konzentrationen von Zelle Metaboliten zu quantifizieren. Obwohl hier nicht gezeigt, ist es möglich, eine deutliche Senkung der Schaltung Volumen durch einen kleineren Behälter und Pulsationsdämpfer und Abnahme Schlauch Länge und Durchmesser.
Darüber hinaus gibt es mehrere andere kommerziell erhältliche Systeme, die verwendet werden, um Flüssigkeit Schubspannung an Zellen in Kultur gelten kann. Mikrofluidik-basierten Systemen, wie zB die BIOFLUX System von Fluxion, ermöglichen die gleichzeitige Analyse von Zellen in verschiedenen mikrofluidischen Strömungskanäle mit Lösung in Well-Platten, die als Input-und Output Reservoirs für diese Kanäle 12,13,14 geladen. Doch diese und andere Mikro-Fluidik-Systeme sind nicht kompatibel mit Standard-Mikroskop-Objektträger und nicht für die Wiederherstellung einer ausreichend großen Anzahl von Zellen für weitere Experimente, wie z. B. RT-PCR oder Western Blot zu ermöglichen. Außerdem sind sie weniger benutzerfreundlich, kostengünstig ein Minimum von $ 40.000 und kann insgesamt mehr als $ 100.000 zu erreichen, abhängig von Zusatzgeräten.
Zwei macrofluidic Systeme aus der Flexcell International Corporation, die Flexcell Streamer und die FlexFlow Systeme wurden erfolgreich eingesetzt, um Endothelzellen 15,16,17, menschliche Zellen Ringraum 18 und Fibroblasten 19 unter Strömung Bedingungen zu studieren. Ein drittes System, erhältlich durch GlycoTech, wurde verwendet, um Tumorzelladhäsion 20 und Leukozytenadhäsion 21 bis endothelialen Monolayer zu studieren.
Die Streamer-System ermöglicht mehrere Seiten unter den gleichen Schubspannung Bedingungen auf einmal ausgeführt werden, aber es fehlt ein Sichtfenster und – im Gegensatz zu unserenDesign – nicht für Echtzeit-Visualisierung von Zellen unter fließen zu lassen.
Die FlexFlow System hat ein Sichtfenster, sondern erfordert eine aufrechte Mikroskop, das nicht dem Standard-Mikroskop in den meisten Labors verwendet werden könnte. Weiterhin erfordert die FlexFlow System einer Zelle beschichtete Deckglas invertiert, wenn in die Strömungskammer platziert werden. Dies schließt Visualisierung von fluoreszierenden Zellen auf einer undurchsichtigen Oberfläche, wie Titan-beschichteten Gläsern, die wir zeigen in unserer Studie. Schließlich müssen die spezialisierten Deckgläser speziell für den FlexFlow System, das in der multi-Tausend-Dollar-Preisklasse ist, ähnlich wie die Flexcell Streamer-System erworben werden.
GlycoTech bietet runden und rechteckigen Platte-Platte Strömungskammern, die deutlich weniger teuer, aber gefertigt aus Acryl, die nicht bequem Stammzellen wie unsere Kammer autoklaviert werden. Zu beachten ist, an andere Strömungskammern, die beschrieben worden sind autoklavierbarerscheinen nicht praktikabel, weil sie spezielle mikroskopische Linsen 22,23 erfordern. Die GlycoTech System nutzt Silizium Gummidichtungen zwischen oberen und unteren Platten dazwischen, die in der Dicke bei wiederholter Anwendung zu ändern und wird sich daher ändern Kammer Höhe im Laufe der Zeit (der Hersteller empfiehlt den Kauf neuer, nachdem alle zehn verwendet). Unsere Aluminium-Kammer mit integriertem O-Ringe ermöglicht eine vollständige Gegenüberstellung von oberen und unteren Platten und sorgt für eine konstante Kammer Höhe zwischen den Experimenten. Schließlich sind Vakuumpumpen erforderlich sind, um eine auslaufsichere Dichtung in vielen Flusskammer Designs, einschließlich der GlycoTech Kammern, die nicht in unser Design notwendig zu erreichen.
Während hier nicht gezeigt, kann die Flusskammer unter einem Mikroskop während des gesamten Flow Experiment zur Echtzeit-Bildgebung von Zell-Adhäsion und / oder Verhalten gehalten werden. Wenn dies gewünscht ist, empfehlen wir die Verwendung einer Wärmelampe oder ein Heizkissen unter die Kammer zu dem Perfusat Temperatur bei 37 ° C zu halten Pelzdort können die Rollenpumpe mit einer Spritze Pumpe ersetzt werden, wenn keine "Rückführung" von Zellen oder Metaboliten oder Prüfpräparate oder Agenten 24 gewünscht wird.
Es ist auch möglich, unterschiedlich markierter Zellen über adhärente Zellen, z. B. fluoreszierende Thrombozyten über eine Schicht von konfluenten EPCs (mit Hilfe der Thrombozyten-Assay durch Achneck et al. 6,25) fließen, um Zell-zu-Zell-Interaktion unter Schubspannung bewerten. Unsere Flusskammer kombiniert wertvolle Funktionen von anderen verfügbaren Strömungskammern, wie ein Perfusat Probenahme-Port und ein Sichtfenster und hat den wichtigen Vorteil der Kompatibilität mit einer umgekehrten oder aufrechten Mikroskop. Es ist voll autoklavierbar und ermöglicht wiederholten Versuchen bei konstanter Kammer Höhe und ohne die Notwendigkeit von Vakuumpumpen, um eine dichte Abdichtung zu erreichen.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren bedanken sich bei Joe Owen in der biomedizinischen Instrumenten-und Machine Shop danken für seinen unermüdlichen Einsatz bei der Bearbeitung und Montage der Flusskammer Teile und Matt Maudsley von Leica Microsystems zur Unterstützung in Techniken zur Bild-Zellen durch Strömungskammern. Wir danken Kevin Collins von der Duke Perfusion Services und Dr. Steve Wallace in der Abteilung für Biomedizinische Technik für hilfreiche Anregungen fließen Schaltungsdesign. Wir möchten auch die National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program zur Unterstützung von Alexandra Jantzen und der NIH für die Unterstützung durch Grant "Autologe EPC-Futter auf die Biokompatibilität von Herz-Kreislauf verbessern assist devices" RC1HL099863-01 danken.
Products / Reagents | Company | Product # |
10 ml Syringe | Cole Parmer Instrument Co. | 07940-12 |
1-Way Stopcoks | Cole Parmer Instrument Co. | 30600-00 |
30 ml Syringe | BD Medical | 309650 |
4 -Way Stopcocks | Cole Parmer Instrument Co. | 30600-04 |
Aluminum Alloy | N/A | 6061 |
Cell-Culture Dishes (4-well, rectangular) | Thermo Scientific; Nunc | 267061 |
Cell Tracker Orange | Invitrogen | C34551 |
DMSO | Research Organics | 2162D |
DPBS (-/-) | Invitrogen | 14190-144 |
EGM-2 Singlequots | Lonza | CC-4176 |
Female Luer Adaptor | Cole Parmer Instrument Co. | SI-45500-04 |
Fibronectin | Sigma | F0895-2MG |
Glass Bottle (250ml) with Cap | Cole Parmer Instrument Co. | 34594-24 |
Hard Tubing | Cole Parmer Instrument Co. | 06508-16 |
HBSS | Sigma | H8264-500ML |
Histopaque | Sigma | H8889-500ML |
Hoechst Stain Solution | Sigma | H6024 |
Hyclone FBS | Thermo Scientific | SH30071.01 |
L-glutamine | Lonza | 17-605E |
Male Luer Adaptor | Cole Parmer Instrument Co. | EW-45505-04 |
MCDB-131, 1X Medium | Cellgro | 15-100-CV |
Barbed Polypropylene Fittings | Cole Parmer Instrument Co. | 06365-90 |
O-Rings | N/A | AS568A |
Pulse-Dampener | Cole Parmer Instrument Co. | 07596-20 |
Pump-Drive (Masterflex L/S variable-speed economy drive) | Cole Parmer Instrument Co. | 7524-40 |
Pump-Head (Masterflex Easy Load Pump Head) | Cole Parmer Instrument Co. | 07518-60 |
Slide | Cole Parmer Instrument Co. | 48500-00 |
Soft Tubing | Cole Parmer Instrument Co. | 96400-16 |
Syringe filter | Cole Parmer Instrument Co. | 02915-12 |
Sytox Orange Nucleic Acid Stain | Invitrogen | S-11368 |
Trypsin EDTA | Lonza | CC-5012 |
Trypsin Neutralizing Solution | Lonza | CC-5002 |