Продемонстрированная в статье система использует точный и расширенный контроль величины, продолжительности и профиля давления для динамического сжатия клеток во всем диапазоне уровней физиологического давления, а также при более слабом и сильном давлении. Эта способность платформы к динамическому сжатию позволяет исследовать реакции клеток на различные воздействия: от механической стимуляции до деформации и лизиса. Данная заметка основана на статье под названием "A Flexible Microdevice for Mechanical Cell Stimulation and Compression in Microfluidic Settings”, написанной Севги Оналом, Мааном М. Алкаиси, Фолькером Ноком и опубликованной в журнале «Frontiers in Physics», где авторы демонстрируют конструкцию, изготовление и применение микроустройств на основе микрофлюидики для механической стимуляции и сжатия живых клеток.
Аннотация
Компрессионный стресс из-за роста опухоли и стромальной ткани изменяет деформацию клеток и воспроизводит биофизические свойства клеток для роста, дифференциации, распространения или лизиса. Эта работа предлагает микрофлюидную платформу для культивирования клеток, состоящую из управляющего микроканала в верхнем слое для приложения внешней силы и гибкой мембраны с монолитно интегрированными элементами для динамического и контролируемого сжатия раковых клеток путем модуляции приложенного давления газа, локализации, изменения формы и размеров данных элементов. Возможность активной модуляции приложенного давления повторяющимся (т. е. циклическим) и последовательным образом позволяет применять динамическое сжатие клеток на уровнях физиологического давления и конечный механический лизис клеток в одном устройстве, демонстрируя пригодность платформы для изучения роли сжимающих сил в микроокружении рака.
Динамическое механическое сжатие клеток
Биомеханические силы регулируют микроокружение опухоли за счет напряжения, механики матрицы, тканевого давления и потока. Напряжение сжатия изменяет деформацию клеток и воспроизводит биофизические свойства клеток для роста, дифференциации, распространения или лизиса. Такое напряжение может быть введено извне для изменения клеточного ответа и для механического индуцирования клеточной стимуляции и лизиса посредством динамического сжатия. Концепция применения механического сжатия к живым клеткам, таким как раковые клетки, стромальные клетки, нейроны и хондроциты, в последние годы считается очень важным направлением в исследованиях. В то время как механическое сжатие живых клеток применимо в объемных системах, контролируемое и динамическое сжатие может быть достигнуто, в частности, в микрофлюидных системах. Как показано в данной работе, системы культивирования in vitro, основанные на микрофлюидике, могут имитировать физическую среду микроокружения in vivo, в которой приложение сжимающей силы может контролироваться пространственно и во времени, обеспечивая полезный инструмент для изучения биомеханики живых клеток.
Рис. 1. Концепция применения компрессии в микроустройстве и эволюция реакции клеток при увеличении давления газа, которое достигается с помощью контроллера OB1. Изображения из исследовательской статьи Onal et al (2021).
Цель и задачи
• Механическое сжатие клеток в динамическом режиме с помощью микрофлюидики.
• Точно настроить процесс динамического сжатия при воздействии на клетки различных давлений, чтобы регулировать реакции клеток на механическую стимуляцию до деформации и лизиса.
• Экспериментально имитировать процесс физиологического сжатия циклически и добиться хорошего восстановления положения компрессионного блока между циклами.
Рис. 2 Установка на основе системы управления потоком давлением для приложения и измерения внешнего давления через управляющий микроканал в микроустройстве сжатия клеток. Изображение из исследовательской статьи Onal et al (2021).
Основные выводы
Эта статья представляет гибкое многослойное микроустройство с микропоршнем, подвешенным в камере для культивирования клеток для динамической механической стимуляции и сжатия клеток, чтобы исследовать реакцию клеток на изменяющееся давление, которое возрастает в процессе эксперимента (рис. 1 и видео 1).
Видео 1. Циклическое сжатие монослоя раковых клеток SKOV-3 при умеренном, а затем более высоком давлении.
Исследование механизма приведения в действие микропоршня проводилось с использованием методов оптической визуализации и двух различных типов систем внешнего давления, что добавляло гибкости в зависимости от требований лаборатории. В исследованиях также проводились с контроллером давления Elveflow OB1, микрофлюидными датчиками давления и считывателем датчиков (рис. 2 и 3).
Рис. 3 Графики приложенного и измеренного профилей давления в гибком микроустройстве. Предоставлено Севги Онал.
Была протестирована способность платформы осуществлять циклические и изменяющиеся профили сжатия последовательно. Это позволило продемонстрировать возможность использования системы для имитации хронических механических стимулов, которым клетки подвергаются при метастазировании рака яичников (рис. 3 и видео 1).
Видео 2 Изменение давления в зависимости от времени при динамическом сжатии клеток
Эволюция сжатия и деформации клеток давлением с различными величинами давления, продолжительностью воздействия и циклическим режимом показана на видео 2. Применимость циклического сжатия с помощью этой платформы была дополнительно проиллюстрирована путем визуализации актина и ядерной деформации в циклически сжатых клетках (рис. 4).
Рис. 4 Фотографии контрольных и циклически сжатых клеток и их профили актина и ядер. Предоставлено Севги Онал.
Эти результаты демонстрируют пригодность гибкого микроустройства для механической стимуляции с различными физиологическими давлениями на основе анализа живых и мертвых клеток и профиля белков, связанных с механобиологией, для изучения биомеханики клеток и сил сжатия в микроокружении рака. Кроме того, использование платформы недавно было расширено Onal et al. (2021) для применения последовательного циклического сжатия для изучения динамики актина живых клеток и исследования восстановления сжатых клеток.