אנחנו המתאר שיטה תאים חסיד נתונים ללחץ הזרימה למינרית גזירה במעגל תזרים סטרילי מתמשך. הדבקה של התאים, מורפולוגיה ניתן ללמוד דרך תא שקוף, דגימות שהתקבלו במעגל לניתוח המטבוליט ותאי שנקטפו לאחר חשיפה גזירה לניסויים עתידיים או תרבות.
המטרה הכללית של שיטה זו היא לתאר טכניקה לנושא תאים חסיד לתנאי זרימה למינרית ולהעריך את תגובתם גזירה נוזל לכימות גם מדגיש 1.
תא הזרימה שלנו לעצב מעגל הזרימה (איור 1) כוללת אזור צפייה שקוף המאפשר בדיקה של הידבקות התא הדמיה של מורפולוגיה תא מיד לפני זרימה (איור 11 א ', ב'), בנקודות זמן שונות במהלך הזרימה (איור 11C) , ואחרי זרימה (איור 11D). ניסויים אלה מומחשים עם חבל הטבור דם האדם הנגזרות ובתאים אנדותל (EPCs) ו חזירי EPCs 2,3.
שיטה זו היא גם החלים על סוגי תאים אחרים חסיד, למשל בתאי שריר חלק (SMCs) או fibroblasts.
החדר ואת כל החלקים של המעגל הם מעוקרים בקלות עם מעוקר קיטור. בניגוד אחריםבתאי, לדוגמה בתאי microfluidic, מספר גדול של תאים (> 1000000 תלוי בגודל התא) ניתן לשחזר לאחר הניסוי זרימה בתנאים סטריליים עבור תרבית תאים או ניסויים אחרים, כגון ה-DNA או RNA החילוץ, או אימונוהיסטוכימיה (איור 11E), או מיקרוסקופיית אלקטרונים 5. הלחץ גזירה יכול להיות מותאם על ידי שינוי קצב הזרימה של perfusate, את צמיגות הנוזל, או את גובה ורוחב הערוץ. זה האחרון יכול להפחית את נפח נוזל או צרכי התא תוך הקפדה כי חד מימדי הזרימה נשמרת. אין זה הכרחי למדוד את גובה תא בין הניסויים, שכן גובה קאמרית אינו תלוי בשימוש אטמים, אשר מגדיל מאוד את הקלות של ניסויים מרובים. יתר על כן, תכנון מעגלים בקלות מאפשר איסוף דגימות perfusate עבור ניתוח ו / או כימות של מטבוליטים מופרש על ידי תאים תחת חשיפה נוזל הלחץ גזירה, למשל תחמוצת החנקן (איור 12) 6 </sup>.
מעגל זרימת שלנו קאמרית תזרים לאפשר לנו נושא תאים חסיד, EPCs למשל, מדגיש גזירה מוגדר נוזל. מאז העליון והתחתון הם קאמרית הדבקה שקוף, תא ומורפולוגיה ניתן להעריך גם בזמן אמת, דרך חדר עצמו, או לאחר ניסוי זרימה של פירוק התא זרימה. בשלב זה, התאים ניתן לקצור בתנאים סטריליים או מחדש מצופה, או לאיסוף DNA או RNA שלהם, וכו ', לצורך ניתוח נוסף.
כדי להשיג זרימה למינרית, העיצוב של החדר חייב להיות כזה כי כמה תנאים מתקיימים.
ראשית, חייבת להיות זרימה למינרית, אשר ניתן לאמת באמצעות חישוב מספר ריינולדס שלה (Re), שהוא היחס בין כוחות האינרציה לכוחות צמיג. (אם צמיג כוחות שולטים, Re קטן הזרימה היא למינרית או "מפותחת" – בדרך כלל Re <2300.אם שולטים כוחות אינרציה, הזרימה הופכת יותר ויותר מקרי עד שהוא סוערים, כמו במקרה של Re> 4000.) אנחנו יכולים לחשב מחדש לפי משוואה 3 8,
איפה ρ היא צפיפות הנוזל, ש הוא שיעור הזרימה, μ הוא צמיגות, W ו-H הם רוחב וגובה של החדר, בהתאמה, ו-D h הוא קוטר הידראולי, מוגדר על פי המשוואה 4 8,
מספר ריינולדס של לשכות שלושת זרימה, עם גבהים הנעים בין 166-267 מיקרומטר, טווח 13.9-34.6 ברמות ספיקה גalculated להשיג מתח גזירה של 15 dynes / 2 ס"מ. ברמות ספיקה מחושב עבור מתח גזירה של 100 dynes / 2 ס"מ, מספר ריינולדס החדרים נע בין 90.4-234. כל אלה מספרים ריינולדס נמוכים בהרבה 2300 לפגוש את הקריטריון זרימה למינרית.
שנית, עבור שדה המהירות ואת הלחץ גזירה להיות עצמאיים של המרחק לאורך ערוץ הזרימה (כלומר מפותחת), המרחק בין כניסת הנוזל להחליק חייב להיות יותר אורך הכניסה, ה L. זה יכול להיות מרוצה על ידי חישוב אורך הכניסה, על פי משוואת 5 9.
עבור הערכים שצוינו לעיל, את משך הכניסה נע 0.01-0.25 ס"מ.
שלישית, על מנת להבטיח כי מהירות ומתח גזירה בכיוון לרוחב לא להשתנותמשמעותית מן הערך עבור זרימת חד ממדיות ערוץ (pH Δ / 2L), את היחס H / W חייב להיות הרבה פחות 1. עבור מתח גזירה הממוצע תחת קיר דו מימדי התנאים תזרים להיות 95% הלחץ גזירה הקיר תחת זרימה חד ממדי, H / W צריך להיות שווה ל 0.10, ועל הלחץ גזירה תחת קיר דו מימדי התנאים תזרים להיות 97.5% מן הלחץ גזירה הקיר תחת זרימה חד ממדי, H / W צריך להיות שווה ל 0.05. עם מידות של החדר מעוצב שלנו תזרים 1.7 ס"מ רוחב ו – 166-267 מיקרומטר גובה, קריטריונים אלה מרוצים.
הלחץ ישתנה רק כיוון הזרימה אם לא יהיו הדרגתיים הלחץ לרוחב בכניסה. זה יכול להיות הוערכה באמצעות צבעים או חלקיקים בנתיב הזרימה. יתר על כן, בניסויים זרימה קבועה, dampener דופק מוכנס במעגל הזרימה. Dampener הדופק מוציא את רוב pulsatility הנגרמת על ידי המשאבה רולר במעגל, ומאפשר לנו הנחה משוער של זרימה קבועה. ראוי לציין, dampener הדופק מנוצל צריך להיות תואם עם המשאבה צינורות המשמשים במעגל, כך שהוא יכול לחסל ביעילות פעימות בזרימת פלט עבור תדרים ספציפי של המשאבה הרים. בהפגנה שלנו L / S Masterflex הדופק dampener משיג זרימה למינרית כאשר נעשה שימוש בקו פריקה עם משאבת כל Masterflex L / S הסדרה (0-600 RPMs) ו-I / P 26 צינורות. עבור זרימת pulsatile, משאבה לתכנות יכול לשמש כדי ליצור צורות גל שונים.
עבור זרימת pulsatile, משאבה לתכנות יכול לשמש כדי ליצור צורות גל שונים.
יתר על כן, המעגל תוכנן כך דגימות של perfusate יכול בקלות להיות שנאספו בנקודות זמן שונות מבלי לסכן זיהום של תאים או בינוני לזרום. בדוגמה שלנו, ריכוז של NO 2 – נמדדה על ידי chemiluminescence עםAnalyzer ionics / זיוורס תחמוצת החנקן (נועה 280, מכשירים זיוורס, Boulder, CO) כפי שתואר קודם לכן 10. Reductant לניתוח הניטריט היה יודיד אשלגן חומצה אצטית (חומצה אצטית 14.5 M ו 0.05 M KI), אשר יש פוטנציאל הפחתת להמיר הניטריט ל NO אך אינה מספיקה כדי לצמצם כל תחמוצות חנקן גבוהה יותר כגון ניטראט ולכן הוא יחסית ספציפית עבור הניטריט. הניטריט סך המיוצר חושבה כתוצר של ריכוז הפיק את סך היקף המעגל תוך התאמת נפח איבד תוך נטילת דגימות 6.
השלבים הבאים הם קריטיים עבור ביצוע מוצלח של ניסויים זרימה:
מגבלה אפשרית של תא תזרים שלנו היא כי גובה נקבע על ידי גובה של ערוץ במכונה לתוך האלומיניום. עם זאת, יש את היתרון של אין צורך לבדוק ולהתאים את גובה של הערוץ לפני כל ניסוי, ולכן מפשט את החישובים מתח גזירה רק על ידי התאמת תזרים המשאבה לערך הרצוי. בהתאם למטרות המחקר שלך, זה יכול להיות רצוילהגביר את הלחץ גזירה מבלי להגדיל את מהירות המשאבה. במקרה זה אנו ממליצים להגדיל את צמיגות של perfusate, למשל הוספת dextran ל 11 בינוני.
מגבלה אפשרית של מעגל הזרימה הוא נפח גדול של שימוש בינוני, אשר יכול להיות בעייתי כאשר מנסים לכמת ריכוזים קטנים מאוד של תאים מטבוליטים. אמנם לא מוצג כאן, ניתן להפחית באופן משמעותי את היקף מעגל באמצעות מאגר קטן dampener הדופק ירידה אורך הצינור וקוטרו.
בנוסף, ישנם מספר מערכות זמינים מסחרית אחרת, שניתן להשתמש בהם כדי להחיל גזירה הלחץ נוזל התאים בתרבית. Microfluidic מערכות מבוססות, כגון מערכת BioFlux מ Fluxion, לאפשר ניתוח סימולטני של תאים שונים ערוצי זרימה microfluidic עמוסה פתרון לתוך צלחות גם מתנהג כמו קלט פלט עבור מאגרים אלו ערוצי 12,13,14. עם זאת, אלה ואחרים מיקרומערכות fluidic אינם תואמים שקופיות מיקרוסקופ סטנדרטיים אינם מאפשרים התאוששות של מספר גדול מספיק של תאים עבור ניסויים נוספים, כגון RT-PCR או כתם המערבי. יתר על כן, הם פחות ידידותי למשתמש, בעלות מינימלית של 40,000 $ ויכול להגיע סך של יותר מ -100,000 דולר, תלוי בציוד אביזר.
שתי מערכות macrofluidic זמינים הבינלאומי Flexcell Corporation, Streamer Flexcell ומערכות FlexFlow, שימשו בהצלחה מחקר בתאי האנדותל 15,16,17, האדם תאים annulus 18 ו – 19 fibroblasts בתנאים זרימת הנוזל. מערכת שלישית, זמין דרך GlycoTech, נוצל כדי ללמוד הידבקות תאים סרטניים 20 ו הידבקות ליקוציט 21 עד monolayers אנדותל.
המערכת מאפשרת Streamer כמה שקופיות להתנהל לפי אותם התנאים הלחץ גזירה בבת אחת, אך חסר חלון צפייה – בניגוד שלנועיצוב – אינו מאפשר הדמיה בזמן אמת של תאים תחת זרם.
מערכת FlexFlow יש חלון הצפייה, אבל דורש מיקרוסקופ זקוף, אשר לא יכול להיות מיקרוסקופ רגיל בשימוש ברוב המעבדות. יתר על כן, מערכת FlexFlow דורש להחליק התא מצופה לכסות להיות הפוך כאשר מציבים לתוך תא הזרימה. זה מונע ויזואליזציה של תאים פלורסנט על משטח אטום, כגון זכוכית מצופה טיטניום, בו אנו מדגימים במחקר שלנו. לבסוף, תלושי לכסות המתמחה צריך לרכוש במיוחד עבור מערכת FlexFlow, אשר בטווח רב אלף דולר את המחיר, בדומה למערכת Streamer Flexcell.
GlycoTech מציעה עגולים ומלבניים, במקביל צלחת לתאי זרימה, אשר באופן משמעותי פחות יקר, אבל מיוצרים אקריליק יצוק כי לא יכול להיות נוח כמו תא גזע autoclaved שלנו. ראוי לציין, חדרי תזרים אחרים תוארו להיות autoclavableנראה מעשי כי הם דורשים עדשות מיקרוסקופיות מיוחדות 22,23. מערכת GlycoTech מנצל אטמי סיליקון גומי התערבה בין צלחות העליון והתחתון, אשר ישתנה עם עובי השימוש החוזר ולכן שינוי גובה תא לאורך זמן (היצרן ממליץ על רכישת חדשים אחרי כל עשר משתמש). החדר שלנו אלומיניום עם המובנה O-טבעות מאפשר התנגדות מוחלטת של צלחות העליון והתחתון ומבטיח גובה תא מתמיד בין הניסויים. לבסוף, משאבות ואקום נחוצים כדי להשיג חותם דליפה הוכחה בעיצובים קאמרית רבים לזרום, כולל בתאי GlycoTech, אשר אינם נחוצים בעיצוב שלנו.
בעוד לא מוצג כאן, תא הזרימה יכולה להיות כל הזמן תחת מיקרוסקופ במהלך הניסוי תזרים כולו הדמיה בזמן אמת של הידבקות התא ו / או התנהגות. אם זה רצוי, מומלץ להשתמש מנורות חימום או כרית מחוממת תחת חדר כדי לשמור על טמפרטורה perfusate ב 37 ° C. פרווהשם, המשאבה רולר ניתן להחליף משאבת מזרק, אם לא 'recirculation "או של תאים או מטבוליטים או סמים או סוכנים investigational הוא הרצוי 24.
אפשר גם לזרום תאים שכותרתו שונה על תאים חסיד, טסיות פלורסנט למשל על שכבה של EPCs ומחוברות (באמצעות assay טסיות שתואר על ידי Achneck et al. 6,25) כדי להעריך את התא אל התא אינטראקציה תחת לחץ גזירה נוזל. תא הזרימה שלנו משלב תכונות של ערך אחרים לתאי תזרים זמין, כגון יציאת דגימה perfusate וחלון הצפייה יש יתרון חשוב של תאימות עם מיקרוסקופ או הפוך או ישר. זה autoclavable מלא ומאפשר ניסויים חוזרים ונשנים בגובה קאמרית קבוע וללא צורך של משאבות ואקום כדי להשיג חותם leakproof.
The authors have nothing to disclose.
המחברים מבקשים להודות ג'ו אוון במכשיר ביו חנות מכונת על המאמצים הבלתי נלאים שלו עיבוד והרכבת תא תזרים חלקים מאט Maudsley מ Leica Microsystems לסיוע בטכניקות לתאי תמונה באמצעות לשכות לזרום. אנחנו אסירי תודה קווין קולינס משירותי דיוק זלוף וד"ר סטיב וואלאס במחלקה להנדסה ביורפואית עבור הצעות מועילות על תכנון מעגלים הזרימה. אנחנו רוצים גם להודות הקרן הלאומית למדע בוגר תוכנית המחקר המלגה לתמיכה אלכסנדרה Jantzen ו-NIH על תמיכתם באמצעות גרנט "רירית EPC עצמיים כדי לשפר את biocompatibility של הדם ולסייע התקנים" 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 |