We beschrijven een methode om onder hechtende cellen aan laminaire stroming shear stress in een steriele continue stroom circuit. De cellen 'hechting, kan morfologie worden bestudeerd door de transparante kamer, monsters verkregen van het circuit voor de metaboliet-analyse en-cellen geoogst na afschuiving blootstelling voor toekomstige experimenten of cultuur.
Het algemene doel van deze methode is te beschrijven een techniek om hechtende cellen onder laminaire flow omstandigheden en evalueren van hun reactie op de goed kwantificeerbare vloeistof schuifspanningen 1.
Onze flow kamer-ontwerp en de stroom circuit (afb. 1) bevat een transparante weergavegebied dat het testen van celadhesie en beeldvorming van celmorfologie maakt vlak voor stroom (Fig. 11A, B), op verschillende momenten tijdens de flow (fig. 11C) , en na de flow (Fig. 11D). Deze experimenten worden geïllustreerd met menselijk navelstrengbloed afgeleide endotheliale progenitor cellen (EPC's) en varkens EPC 2,3.
Deze methode is ook toepasbaar op andere hechtende celtypes, zoals gladde spiercellen (SMC) of fibroblasten.
De kamer en alle delen van het circuit zijn gemakkelijk gesteriliseerd met stoom autoclaaf. In tegenstelling tot anderekamers, kan bijvoorbeeld microfluïdische kamers, grote aantallen cellen (> 1 miljoen, afhankelijk van celgrootte) worden hersteld nadat de stroom experiment onder steriele omstandigheden voor celkweek of andere experimenten, bijvoorbeeld DNA of RNA-extractie, of immunohistochemie (Afb. 11E), of scanning elektronenmicroscopie 5. De schuifspanning kan worden aangepast door het variëren van het debiet van het perfusaat, de viscositeit, of het kanaal hoogte en breedte. Dit laatste kan verminderen vloeistof volume of mobiele behoeften, terwijl ervoor te zorgen dat een-dimensionale stroming wordt gehandhaafd. Het is niet nodig om kamer hoogte tussen experimenten te meten, omdat de kamer hoogte is niet afhankelijk van het gebruik van pakkingen, die sterk vergroot het gemak van meerdere experimenten. Bovendien is de schakeling ontwerp maakt gemakkelijk het verzamelen van perfusaat monsters voor analyse en / of kwantificering van metabolieten uitgescheiden door cellen onder vloeistof schuifspanning blootstelling, zoals stikstofmonoxide (Fig. 12) 6 </sup>.
Onze stroom circuit en flow kamer kunnen we hechtende cellen, zoals EPC's, om bepaalde vloeistof schuifspanningen onderwerp. Omdat de kamer boven-en onderkant zijn transparant, celadhesie en morfologie kan worden geëvalueerd in real-time, door de kamer zelf, of na een stroom experiment en demontage van de stroming kamer. Op dat punt kan cellen worden geoogst onder steriele omstandigheden en een re-plated, of gebruikt om hun DNA of RNA, enz., te verzamelen voor verdere analyse.
Om dit te bereiken laminaire stroming, moet het ontwerp van de kamer zodanig zijn dat een aantal voorwaarden wordt voldaan.
Ten eerste moet de stroom worden laminair, die kunnen worden geverifieerd door het berekenen van het getal van Reynolds (Re), dat is de verhouding van inertie krachten om viskeuze krachten. (Als overheersen visceuze krachten, Re is klein en de stroming is laminair of 'volledig ontwikkeld' – meestal voor Re <2300.Als overheersen traagheidskrachten, de stroming wordt meer en meer willekeurige totdat het is turbulent, zoals het geval is voor Re> 4000.) We kunnen berekenen Re volgens vergelijking 3 8,
Waar ρ is de vloeistof dichtheid, Q is het debiet, μ is de viscositeit, w en h zijn de breedte en hoogte van de kamer, respectievelijk, en D h is de hydraulische diameter, gedefinieerd volgens vergelijking 4 8,
Het getal van Reynolds van onze drie stromen kamers, met een hoogte variërend 166 tot 267 micrometer, bereik 13,9 tot 34,6 bij een flow calculated om een schuifspanning van 15 dyne / cm 2 te verkrijgen. Bij een flow berekend voor een schuifspanning van 100 dyne / cm 2, het getal van Reynolds van de kamers varieerde 90,4 tot 234. Al deze Reynolds getallen zijn veel lager dan 2300 en voldoen aan het criterium voor laminaire stroming.
Ten tweede, voor de snelheid veld en shear stress onafhankelijk van de afstand langs de stroom kanaal (dat wil zeggen volledig ontwikkeld), de afstand van de vloeistof inlaat te glijden moet langer zijn dan de ingang van de lengte, L e. Dit kan worden voldaan door het berekenen van de ingang lengte, volgens vergelijking 5 9.
Voor de hierboven genoemde waarden, de ingang lengte varieert 0,01 tot 0,25 cm.
Ten derde, om ervoor te zorgen dat de snelheid en de schuifspanning in de laterale richting niet variërensterk af van de waarde voor een-dimensionale kanaal flow (Δ Ph / 2L), moet de verhouding h / w zijn veel minder dan 1. Voor de gemiddelde wandschuifspanning onder twee-dimensionale stroming tot 95% van de wandschuifspanning onder een-dimensionale flow, moet h / w gelijk zijn aan 0,10, en voor de wandschuifspanning onder twee-dimensionale stroming voorwaarden die moeten worden 97,5% van de muur shear stress onder een-dimensionale flow, moet h / w gelijk zijn aan 0,05. Met de afmetingen van onze gewenste debiet kamer 1,7 cm in de breedte en 166 tot 267 micrometer in de hoogte, zijn deze criteria voldoen.
De druk zal alleen variëren in de richting van de stroom als er geen zijdelingse drukgradiënten bij de ingang. Dit kan worden beoordeeld met behulp van kleurstoffen of deeltjes in de stroom weg. Verder, voor de gestage stroom experimenten, is een pulsdemper opgenomen in de stroom circuit. De pulsdemper neemt het grootste deel van de pulsatility veroorzaakt door de roller pomp in het circuit, en het stelt ons in staat een benadering van de aanname van steady flow. Van de nota, moet de gebruikte pulsdemper verenigbaar zijn met de pomp en slangen die zich in het circuit, zodat het kan effectief elimineren pulsaties in de output stroom voor de specifieke frequenties van de rol pomp. In onze demonstratie het Masterflex L / S pulsdemper bereikt laminaire stroming bij gebruik op de persleiding met een Masterflex L / S-serie pomp (0 tot 600 RPM) en I / P-26 buizen. Voor de pulsatiele flow, kan een programmeerbare pomp worden gebruikt om verschillende golfvormen te genereren.
Voor de pulsatiele flow, kan een programmeerbare pomp worden gebruikt om verschillende golfvormen te genereren.
Bovendien is de schakeling is zodanig ontworpen dat monsters van perfusievloeistof kan gemakkelijk worden verzameld op verschillende tijdstippen zonder gevaar voor besmetting van de cellen of doorstroming medium. In ons voorbeeld, de concentratie van NO 2 – werd gemeten met chemiluminescentie meteen ionogene / Sievers Nitric Oxide Analyzer (NOA 280, Sievers Instruments, Boulder, CO) zoals eerder beschreven 10. De reductor wordt gebruikt voor nitriet analyse werd kaliumjodide in azijnzuur (14,5 M azijnzuur en 0,05 M KI), dat het reductiepotentieel tot nitriet om te zetten in NO heeft, maar is onvoldoende om een hogere stikstofoxiden, zoals nitraat te verminderen en is dus relatief specifiek voor nitriet. De in totaal geproduceerde hoeveelheid nitriet werd berekend als het product van de geproduceerde concentratie en het totale volume van het circuit, terwijl correctie voor volume verloren, terwijl het nemen van monsters 6.
De volgende stappen zijn van cruciaal belang voor het succesvol uitvoeren van flow experimenten:
Een mogelijke beperking van onze stroom kamer is dat de hoogte wordt bepaald door de hoogte van het kanaal bewerkte in het aluminium. Dit heeft echter het voordeel van het niet hebben om na te gaan en vóór de hoogte van het kanaal elk experiment en dus vereenvoudigt de schuifspanning berekeningen van alleen maar het aanpassen van de pomp stroom naar de gewenste waarde. Afhankelijk van uw onderzoek doelen, kan het wenselijk zijn omverhoging van de shear stress, zonder verhoging van snelheid van de pomp. In dit geval raden wij aan het verhogen van de perfusaat de viscositeit, bijvoorbeeld het toevoegen van dextran aan het medium 11.
Een mogelijke beperking van de stroom circuit is het grote volume aan medium gebruikt, die kan problematisch zijn bij een poging om een zeer kleine concentraties van de cel metabolieten te kwantificeren. Hoewel hier niet getoond, is het mogelijk om het circuit volume aanzienlijk te verminderen door middel van een kleinere reservoir en pulsdemper en slang lengte en diameter afnemen.
Daarnaast zijn er diverse andere commercieel beschikbare systemen die gebruikt kunnen worden om de vloeistof shear stress van toepassing op cellen in cultuur. Microfluïdische-gebaseerde systemen, bijvoorbeeld het BioFlux systeem van Fluxion, zodat gelijktijdige analyse van cellen in verschillende microfluïdische stromingskanalen geladen met oplossing in zowel platen als input en output reservoirs voor deze kanalen 12,13,14. Echter, deze en andere micro-fluïde systemen zijn niet compatibel met standaard microscoop dia's en het niet mogelijk voor het herstel van een voldoende groot aantal cellen voor verdere experimenten, zoals RT-PCR of Western Blot. Verder zijn ze minder gebruiksvriendelijk, kosten een minimum van 40.000 dollar en kan een totaal van meer dan $ 100.000 te bereiken, afhankelijk van bijkomende apparatuur.
Twee macrofluidic systemen die beschikbaar zijn vanaf het Flexcell International Corporation, de Flexcell Streamer en de FlexFlow systemen, zijn met succes gebruikt om endotheelcellen 15,16,17, menselijke annulus cellen 18 en 19 fibroblasten onder vloeistofstroom omstandigheden te bestuderen. Een derde systeem, beschikbaar via GlycoTech, is gebruikt om de tumor celadhesie 20 en leukocyten adhesie 21 tot en met endotheliale monolagen te bestuderen.
De Streamer systeem maakt het mogelijk verschillende dia's worden uitgevoerd onder dezelfde schuifspanning omstandigheden in een keer, maar mist een kijkvenster en – in tegenstelling tot onzedesign – niet mogelijk is voor real-time visualisatie van cellen onder stroom.
Het FlexFlow systeem heeft een kijkvenster, maar vereist een rechtop microscoop, die misschien niet de standaard microscoop gebruikt in de meeste laboratoria. Verder is de FlexFlow systeem vereist een cel-gecoate dekglas te worden omgekeerd wanneer geplaatst in de stroom kamer. Dit sluit visualisatie van fluorescerende cellen op een ondoorzichtig oppervlak, zoals titanium-gecoat glas, die we zien in ons onderzoek. Ten slotte is de gespecialiseerde dekglaasjes moeten specifiek worden gekocht voor het FlexFlow systeem, dat in de multi-duizend-dollar prijsklasse, vergelijkbaar met het Flexcell Streamer systeem.
GlycoTech biedt ronde en rechthoekige parallelle plaat stroom kamers, die zijn aanzienlijk minder duur, maar vervaardigd uit gegoten acryl, die niet kunnen eenvoudig worden stamcellen geautoclaveerd als onze kamer. Van de nota, met andere stromen kamers die zijn beschreven worden autoclaveerbaarlijken niet praktisch, omdat ze speciale microscopische lenzen 22,23. Het GlycoTech systeem maakt gebruik van siliconen rubber pakkingen geplaatst tussen boven-en onderkant platen, die in dikte veranderen met herhaald gebruik en daardoor veranderen kamer hoogte boven de tijd (de fabrikant adviseert de aankoop van nieuwe na elke tien gebruikt). Onze aluminium kamer met ingebouwde O-ringen zorgt voor volledige oppositie van boven-en onderkant platen en zorgt voor een constante kamer hoogte tussen experimenten. Ten slotte vacuümpompen nodig zijn om een lekvrije verbinding in veel stroom kamer ontwerpen, inclusief de GlycoTech kamers, die niet noodzakelijk zijn in ons ontwerp te realiseren.
Overwegende dat het hier niet getoond, kan de stroom kamer worden gehouden onder een microscoop tijdens de hele stroom experiment voor real-time beeldvorming van celadhesie en / of gedrag. Als dit gewenst is, adviseren we met behulp van warmte lampen of een verwarmd kussentje onder de kamer naar de perfusaat temperatuur op 37 ° C. PelsDaar kan de rol pomp vervangen worden door een injectiepomp, als er geen 'recirculatie' van een van beide cellen of metabolieten of experimentele geneesmiddelen of agenten is gewenst 24.
Het is ook mogelijk om anders gelabelde cellen stroom over hechtende cellen, bijv. TL-bloedplaatjes over een laag die confluente EPC's (met behulp van de bloedplaatjes assay beschreven door Achneck et al.. 6,25) tot cel-cel interactie te evalueren onder vloeistof shear stress. Onze flow kamer combineert de waardevolle eigenschappen van andere beschikbare stroom kamers, zoals een perfusaat sampling-poort en een kijkvenster en heeft het belangrijke voordeel van compatibiliteit met ofwel een omgekeerde of rechtop microscoop. Het is volledig autoclaveerbaar en zorgt voor herhaalde experimenten bij een constante kamer hoogte en zonder de noodzaak van vacuümpompen om een lekvrije afdichting te bereiken.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen graag Joe Owen te bedanken in de Biomedische Instrument en Machine Shop voor zijn onvermoeibare inspanningen in bewerking en de montage van de doorstroming kamer delen en Matt Maudsley van Leica Microsystems voor de ondersteuning in technieken om de afbeelding cellen doorstroming kamers. We zijn dank verschuldigd aan Kevin Collins van Duke Perfusie Services en Dr Steve Wallace bij de afdeling Biomedical Engineering voor nuttige suggesties over stroom circuit design. Wij zouden ook graag de National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program bedanken voor de ondersteuning van Alexandra Jantzen en de NIH voor hun steun door middel van Grant "Autologe EPC-voering aan biocompatibiliteit van de bloedsomloop te verbeteren apparaten assist" RC1HL099863-01.
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 |