Bio-MEMS
Κυτταρική καλλιέργεια
Η συμβατική τεχνολογία κυτταροκαλλιέργειας δεν είναι σε θέση να επιτρέψει αποτελεσματικά τη συνδυαστική δοκιμή υποψήφιων φαρμάκων, αυξητικών παραγόντων, νευροπεπτιδίων, γονιδίων και ρετροϊών σε μέσο κυτταροκαλλιέργειας. Λόγω της ανάγκης τα κύτταρα να τροφοδοτούνται περιοδικά με φρέσκο μέσο και να πασάρονται, ακόμη και η δοκιμή λίγων συνθηκών απαιτεί μεγάλο αριθμό κυττάρων και προμηθειών, ακριβούς και ογκώδεις επωαστήρες, μεγάλους όγκους υγρών (~0,1 - 2 mL ανά δείγμα) και κουραστική ανθρώπινη εργασία. Η απαίτηση ανθρώπινης εργασίας περιορίζει επίσης τον αριθμό και τη διάρκεια μεταξύ των χρονικών σημείων για τα πειράματα. Οι καλλιέργειες κυττάρων με μικρορευστότητα αποτελούν δυνητικά μια τεράστια βελτίωση επειδή μπορούν να αυτοματοποιηθούν, καθώς και να αποδώσουν χαμηλότερο συνολικό κόστος, υψηλότερη απόδοση και πιο ποσοτικές περιγραφές της μεταβλητότητας της συμπεριφοράς ενός κυττάρου. Με την ενσωμάτωση συστημάτων ανταλλαγής αερίων και ελέγχου της θερμοκρασίας στο τσιπ, η καλλιέργεια μικρορευστών κυττάρων μπορεί να εξαλείψει την ανάγκη για θερμοκοιτίδες και απορροφητήρες καλλιέργειας ιστών. Ωστόσο, αυτός ο τύπος συνεχούς λειτουργίας μικρορευστομηχανικής καλλιέργειας κυττάρων παρουσιάζει και τις δικές του μοναδικές προκλήσεις. Ο έλεγχος της ροής είναι σημαντικός κατά την σπορά κυττάρων σε μικροκανάλια, επειδή η ροή πρέπει να σταματήσει μετά την αρχική έγχυση του κυτταρικού εναιωρήματος για να προσκολληθούν τα κύτταρα ή να παγιδευτούν σε μικροκυψέλες, διηλεκτροφορητικές παγίδες, μικρομαγνητικές παγίδες ή υδροδυναμικές παγίδες. Στη συνέχεια, η ροή πρέπει να συνεχιστεί με τρόπο που να μην παράγει μεγάλες δυνάμεις που διαπερνούν τα κύτταρα από το υπόστρωμα. Η δοσομέτρηση των υγρών με χειροκίνητη ή ρομποτική πιπέτα μπορεί να αντικατασταθεί με μικροαντλίες και μικροβαλβίδες, όπου η δοσομέτρηση των υγρών είναι εύκολο να καθοριστεί, σε αντίθεση με τα συστήματα συνεχούς ροής με μικροαναμικτήρες. Αναπτύχθηκε ένα πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα καλλιέργειας κυττάρων με μικρορευστότητα για τη μελέτη της οστεογενετικής διαφοροποίησης ανθρώπινων εμβρυϊκών βλαστικών κυττάρων. Αναπτύχθηκε επίσης ένας φορητός επωαστήρας μικρορευστικής κυτταροκαλλιέργειας ικανός να θερμαίνει και να αντλεί διαλύματα κυτταροκαλλιέργειας. Λόγω της μείωσης του όγκου στις μικρορευστικές καλλιέργειες, οι συγκεντρώσεις που συλλέγονται είναι υψηλότερες για καλύτερες μετρήσεις του λόγου σήματος προς θόρυβο, αλλά η συλλογή και η ανίχνευση είναι αντίστοιχα πιο δύσκολη. Οι δοκιμασίες μικροσκοπίας επί τόπου με μικρορευστικές κυτταρικές καλλιέργειες μπορούν να βοηθήσουν από αυτή την άποψη, αλλά έχουν εγγενώς χαμηλότερη απόδοση λόγω του ότι ο ανιχνευτής του μικροσκοπίου έχει μόνο ένα μικρό οπτικό πεδίο. Η πλατφόρμα Berkeley Lights Beacon έχει επιλύσει το ζήτημα της συλλογής και της ανίχνευσης εκτελώντας μικρορευστολογικές καλλιέργειες σε μια συστοιχία φωτοαγωγών που μπορούν να ενεργοποιηθούν οπτοηλεκτρικά για να χειριστούν τα κύτταρα σε όλο το τσιπ. Η πλατφόρμα αυτή έχει υιοθετηθεί από την Amgen και τη Novartis για την ανάπτυξη κυτταρικών σειρών στη βιοφαρμακευτική βιομηχανία. Οι μικροδιαμορφωμένες συγκαλλιέργειες έχουν επίσης συμβάλει στα βιο-MEMS για τη μηχανική ιστών για την αναπαράσταση των in vivo συνθηκών και της τρισδιάστατης φυσικής δομής. Συγκεκριμένα, τα ηπατοκύτταρα έχουν διαμορφωθεί με σκοπό τη συγκαλλιέργεια σε συγκεκριμένες κυτταρικές πυκνότητες με ινοβλάστες για τη διατήρηση ειδικών λειτουργιών του ήπατος, όπως η έκκριση λευκωματίνης, η σύνθεση ουρίας και η αποτοξικοποίηση p450. Παρομοίως, η ενσωμάτωση της μικρορευστομηχανικής με μικροδιαμορφωμένες συγκαλλιέργειες επέτρεψε τη μοντελοποίηση οργάνων όπου πολλαπλοί αγγειούμενοι ιστοί διασυνδέονται, όπως ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός και οι πνεύμονες. Οι λειτουργίες των πνευμόνων σε επίπεδο οργάνου έχουν αναπαρασταθεί σε συσκευές lung-on-a-chip, όπου μια πορώδης μεμβράνη και το στρώμα των επιθηλιακών κυττάρων που έχουν σπαρθεί, τεντώνονται κυκλικά με την εφαρμογή κενού σε παρακείμενα μικροκανάλια για να μιμηθούν την εισπνοή.