BioMEMS
Bio-MEMS kudosteknologiassa > Soluviljely

Perinteinen soluviljelytekniikka ei pysty tehokkaasti mahdollistamaan lääkeaineehdokkaiden, kasvutekijöiden, neuropeptidien, geenien ja retrovirusten kombinatorista testausta soluviljelyaineessa. Koska soluille on syötettävä säännöllisesti uutta elatusainetta ja ne on passagoitava, jo muutaman olosuhteen testaaminen vaatii suuren määrän soluja ja tarvikkeita, kalliita ja tilaa vieviä inkubaattoreita, suuria nestemääriä (~0,1-2 ml näytettä kohti) ja työlästä ihmistyötä. Ihmistyön vaatimus rajoittaa myös kokeiden aikapisteiden lukumäärää ja pituutta. Mikrofluidiset soluviljelmät ovat potentiaalisesti valtava parannus, koska ne voidaan automatisoida ja koska ne tuottavat alhaisemmat kokonaiskustannukset, suuremman läpimenon ja enemmän kvantitatiivisia kuvauksia yksittäisten solujen käyttäytymisen vaihtelusta. Sisällyttämällä kaasunvaihto- ja lämpötilan säätöjärjestelmät sirulle mikrofluidinen soluviljely voi poistaa inkubaattoreiden ja kudosviljelyhuppujen tarpeen. Tämäntyyppiseen jatkuvaan mikrofluidiseen soluviljelyyn liittyy kuitenkin myös omia ainutlaatuisia haasteitaan. Virtauksen hallinta on tärkeää, kun soluja kylvetään mikrokanaviin, koska virtaus on pysäytettävä solususpension ensimmäisen injektion jälkeen, jotta solut kiinnittyisivät tai jäisivät loukkuun mikrokuoppiin, dielektroforeettisiin loukkuihin, mikromagneettisiin loukkuihin tai hydrodynaamisiin loukkuihin. Tämän jälkeen virtaus on aloitettava uudelleen siten, että se ei aiheuta suuria voimia, jotka leikkaavat solut irti alustasta. Nesteiden annostelu manuaalisella tai robottipipetöinnillä voidaan korvata mikropumpuilla ja mikroventtiileillä, joissa nesteen annostelu on suoraviivaista määritellä, toisin kuin jatkuvan virtauksen järjestelmissä mikrosekoittimilla.
Täysin automatisoitu mikrofluidinen soluviljelyjärjestelmä on kehitetty ihmisen alkion kantasolujen osteogeenisen erilaistumisen tutkimiseen. Lisäksi on kehitetty kannettava mikrofluidinen soluviljelyinkubaattori, jolla voidaan lämmittää ja pumpata soluviljelyliuoksia. Mikrofluidisten viljelmien tilavuuden pienentämisen vuoksi kerätyt pitoisuudet ovat suurempia, mikä mahdollistaa paremman signaali-kohinasuhteen mittaukset, mutta kerääminen ja havaitseminen on vastaavasti vaikeampaa. Mikrofluidisten soluviljelmien avulla tehtävät in situ -mikroskopiamääritykset voivat auttaa tässä suhteessa, mutta niiden läpimenoteho on luonnostaan pienempi, koska mikroskoopin koettimella on vain pieni näkökenttä. Berkeley Lights Beacon -alustalla on ratkaistu keräys- ja havaitsemisongelma suorittamalla mikrofluidinen viljely valojohteiden joukon päällä. Se voidaan aktivoida optoelektrisesti solujen manipuloimiseksi sirun läpi. Amgen ja Novartis ovat ottaneet tämän alustan käyttöön biolääketeollisuuden solulinjojen kehittämisessä. Mikrokuvioidut rinnakkaisviljelmät ovat myös edistäneet kudostekniikassa käytettäviä bio-MEMS-menetelmiä, joilla voidaan jäljitellä in vivo -olosuhteita ja luonnollista 3D-rakennetta. Erityisesti hepatosyytit on kuvioitu yhteisviljelyyn tietyillä solutiheyksillä fibroblastien kanssa, jotta voidaan ylläpitää maksalle ominaisia toimintoja, kuten albumiinin eritystä, ureasynteesiä ja p450-pelkistystä. Vastaavasti mikrofluidiikan integroiminen mikrokuvioituihin yhteiskulttuureihin on mahdollistanut sellaisten elinten mallintamisen, joissa on useita verisuonitettuja kudoksia, kuten veri-aivoeste ja keuhkot. Keuhkojen elintason toimintoja on rekonstruoitu lung-on-a-chip-laitteissa, joissa huokoista kalvoa ja kylvettyä epiteelisolukerrosta venytetään syklisesti vierekkäisiin mikrokanaviin kohdistetulla alipaineella inhalaation jäljittelemiseksi.