Idrogel

Oct 11, 2023

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17781 (2022) Citare questo articolo

3188 accessi

6 citazioni

2 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

I dispositivi microfluidici che combinano un ambiente di matrice extracellulare, cellule e perfusione fisiologicamente rilevante sono vantaggiosi come piattaforme di coltura cellulare. Abbiamo sviluppato una piattaforma di coltura cellulare microfluidica basata su idrogel caricando cellule di glioblastoma U87 incapsulate in idrogel di polietilenglicole (PEG) in pozzetti con membrana in polidimetilsilossano (PDMS). Il sistema di coltura cellulare microfluidica multistrato combina caratteristiche di progettazione precedentemente riportate in una configurazione che carica e perfonde biomimeticamente una serie 2D di camere di coltura cellulare. Una dimensione dell'array è alimentata da un generatore di gradiente di concentrazione microfluidico (MCGG) mentre la dimensione ortogonale fornisce canali di caricamento che riempiono file di camere di coltura cellulare in uno strato separato. A differenza dei tipici miscelatori MCGG ad albero, si ottiene una diluizione seriale frazionaria di 1, ½, ¼ e 0 della concentrazione iniziale del soluto adattando le larghezze dei microcanali di ingresso. Gli idrogel vengono caricati in modo efficiente e riproducibile in tutti i pozzetti e le cellule sono distribuite uniformemente in tutto l'idrogel, mantenendo una vitalità > 90% fino a 4 giorni. In un test di screening farmacologico, viene misurata la diffusione di temozolomide e carmustina nelle cellule U87 incapsulate in idrogel dalla soluzione di perfusione e vengono generate curve dose-risposta, dimostrando l'utilità come imitazione in vitro del microambiente del glioblastoma.

Quasi il 97% dei farmaci sviluppati per interventi oncologici falliscono durante gli studi clinici a causa della dipendenza da modelli farmacologici inadeguati, in particolare modelli di colture cellulari bidimensionali (2D) in vitro1. Sebbene i modelli di colture cellulari 2D in vitro siano comodi da usare, non rappresentano adeguatamente il complesso microambiente tumorale poiché il comportamento cellulare è influenzato dalla morfologia piatta della plastica rigida e planare tipicamente utilizzata2,3. Per affrontare le preoccupazioni relative ai modelli di colture cellulari 2D, si è verificato uno spostamento verso modelli di colture cellulari tumorali tridimensionali (3D) in quanto imitazioni più fisiologicamente rilevanti del microambiente tumorale4. Nel complesso, i modelli tumorali 3D possono assumere molte forme, come sferoidi, organoidi o colture e co-colture basate su matrici, per citarne alcune5,6. Per aggiungere complessità e migliorare la rilevanza fisiologica, i modelli tumorali 3D possono essere combinati con dispositivi microfluidici per consentire la perfusione o imitare la vascolarizzazione7. I sistemi microfluidici che combinano cellule, matrice extracellulare e perfusione sono buoni imitatori del microambiente tumorale in vivo e sono a basso costo e riproducibili, consentono l'uso di piccoli volumi di coltura e hanno un design controllabile che può essere ottimizzato per l'applicazione desiderata8, 9. I sistemi di coltura cellulare basati sulla perfusione forniscono nutrienti alle cellule e rimuovono i rifiuti metabolici in modo da imitare il trasporto di massa in vivo e mantenere i fattori solubili vicino alle concentrazioni biologiche10. Inoltre, è possibile generare gradienti temporali e spaziali all'interno dei sistemi microfluidici, espandendo ulteriormente il loro valore come piattaforme di screening farmacologico8. Tuttavia, progettare e gestire un robusto sistema di perfusione microfluidica per la coltura 3D di cellule di mammifero aderenti è impegnativo3. Le sfide potrebbero essere legate alla progettazione del dispositivo, come la scelta della configurazione appropriata della coltura, dei materiali o della fabbricazione della rete microfluidica, o puramente tecniche, come la sterilizzazione, la semina cellulare nel dispositivo, l'ottimizzazione del trasporto di massa e degli sforzi di taglio del flusso per massimizzare la vitalità cellulare, ed evitare bolle d'aria nei canali di perfusione.

Sono stati sviluppati miscelatori a gradiente per sistemi microfluidici che possono essere utilizzati per fornire miscelazione su chip per fornire concentrazioni discrete di fattori solubili a sistemi di coltura cellulare che possono essere utilizzati per mantenere le cellule, differenziare le cellule staminali o rispondere a varie domande biologiche11. Molti di questi miscelatori microfluidici utilizzano strutture ad albero con più fasi che richiedono una miscelazione completa prima della fine di ciascuna fase8,12,13, simile al progetto qui utilizzato. La formazione del gradiente su chip elimina la possibilità di errori di pipettaggio, diminuisce le possibilità di contaminazione e consente un minor numero di ingressi microfluidici che semplificano la configurazione rispetto ai dispositivi microfluidici con gradienti generati esternamente14,15.