Bio-MEMS
Šūnu kultūras
Parastās šūnu kultūru tehnoloģijas nespēj efektīvi veikt kombinētu zāļu, augšanas faktoru, neiropeptidu, gēnu un retrovīrusu testēšanu šūnu kultūru vidē. Tā kā šūnas ir periodiski jābaro ar svaigu barotni un jāpasažē, pat dažu apstākļu testēšanai ir nepieciešams liels šūnu un materiālu skaits, dārgi un apjomīgi inkubatori, lieli šķidruma tilpumi (~0,1 - 2 ml vienam paraugam) un nogurdinošs cilvēku darbs. Cilvēku darba prasība ierobežo arī eksperimentu laika posmu skaitu un ilgumu. Mikrofluidiskās šūnu kultūras potenciāli ir būtisks uzlabojums, jo tās var automatizēt, kā arī nodrošināt zemākas kopējās izmaksas, lielāku caurlaides spēju un kvantitatīvāk aprakstīt vienas šūnas uzvedības mainīgumu. Iekļaujot mikroshēmā gāzu apmaiņas un temperatūras kontroles sistēmas, mikrofluidisko šūnu kultivēšana var novērst nepieciešamību pēc inkubatoriem un audu kultūru pārsegiem. Tomēr šāda veida nepārtraukta mikrofluidisko šūnu kultivēšana rada arī savas unikālas problēmas. Ievietojot šūnas mikrokanālos, ir svarīga plūsmas kontrole, jo pēc sākotnējās šūnu suspensijas ievadīšanas plūsma ir jāaptur, lai šūnas varētu pieķerties vai iesprūst mikrokamerās, dielektroforētiskajās slazdos, mikromagnētiskajos slazdos vai hidrodinamiskajos slazdos. Pēc tam plūsma ir jāatjauno tā, lai neradītu lielu spēku, kas novilktu šūnas no substrāta. Šķidrumu dozēšanu ar manuālu vai robotizētu pipetēšanu var aizstāt ar mikrosūkņiem un mikrovārstiem, kur šķidruma dozēšana ir vienkārši nosakāma atšķirībā no nepārtrauktas plūsmas sistēmām ar mikromikseriem. Ir izstrādāta pilnībā automatizēta mikrofluidiska šūnu kultūru sistēma cilvēka embrionālo cilmes šūnu osteogēnās diferenciācijas izpētei. Ir izstrādāts arī rokas mikrofluidisko šūnu kultūru inkubators, kas spēj sildīt un sūknēt šūnu kultūru šķīdumus. Tā kā mikrofluidiskajās kultūrās ir samazināts tilpums, savāktās koncentrācijas ir lielākas, lai veiktu labākus signāla un trokšņa attiecības mērījumus, bet savākšana un noteikšana ir attiecīgi sarežģītāka. Šajā ziņā var palīdzēt "in situ" mikroskopijas testi ar mikrofluidiskām šūnu kultūrām, taču tiem ir raksturīga mazāka caurlaides spēja, jo mikroskopa zondei ir tikai neliels redzamības lauks. Berkeley Lights Beacon platforma ir atrisinājusi savākšanas un noteikšanas problēmu, veicot mikrofluidālo kultūru uz fotovadītāju masīva, ko var optoelektriski aktivizēt, lai manipulētu ar šūnām visā mikroshēmā. Šo platformu biofarmācijas nozarē šūnu līniju izstrādei ir izmantojušas kompānijas Amgen un Novartis. Mikropatternētās kopkultūras ir veicinājušas arī bio-MEMS audu inženierijas vajadzībām, lai atdarinātu in vivo apstākļus un 3D dabisko struktūru. Konkrēti, hepatocīti ir modelēti, lai kopīgi kultivētu konkrētas šūnu blīvuma pakāpes ar fibroblastiem, lai saglabātu aknām raksturīgas funkcijas, piemēram, albumīna sekrēciju, urīnvielas sintēzi un p450 detoksikāciju. Līdzīgi, integrējot mikrofluidiku ar mikropatternētām kopkultūrām, ir iespējams modelēt orgānus, kuros saskaras vairāki vaskularizēti audi, piemēram, asins-smadzeņu barjera un plaušas. Plaušu funkcijas orgānu līmenī ir rekonstruētas uz plaušu-on-a-chip ierīcēm, kur poraina membrāna un izsēts epitēlija šūnu slānis tiek cikliski izstiepts, izmantojot vakuumu blakus esošajos mikrokanālos, lai imitētu inhalāciju.