Surface engineering of PDMS using gelatin-polyvinyl alcohol for renal cell-compatible microfluidic applications

Nierenzellkarzinom ist eine komplexe Erkrankung, bei der die körpereigenen Zellen gegen das Organ vorgehen, das das Blut filtert. Um bessere Behandlungen zu finden, müssen Wissenschaftler Medikamente an lebenden Zellen testen, und zwar auf eine Weise, die den menschlichen Körper nachahmt. Jahrzehntelang haben Forscher diese Zellen in flachen Kunststoffschalen gezüchtet, aber diese statische Umgebung lässt ein entscheidendes Detail außer Acht: In einem echten Körper werden Zellen ständig von fließenden Flüssigkeiten umspült, die Nährstoffe transportieren und Abfallstoffe entfernen. Dieser Fluss übt auch einen sanften physischen Druck auf die Zellen aus, was ihr Verhalten und ihre Reaktion auf Medikamente verändern kann. Um dies zu untersuchen, verwenden Wissenschaftler winzige Vorrichtungen, die Mikrofluidik-Chips genannt werden – im Wesentlichen sind dies Miniatur-Rohrsysteme aus klarem, flexiblem Kunststoff. Diese Chips ermöglichen es Forschern, Flüssigkeiten durch mikroskopisch kleine Kanäle zu pumpen und die Zellen in Echtzeit leben und reagieren zu beobachten. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass der Kunststoff, aus dem diese Chips hergestellt werden, von Natur aus wasserabweisend ist, was es schwierig macht, dass Zellen daran haften und sich ordnungsgemäß entwickeln. Wenn die Zellen nicht anhaften können, schlägt das Experiment fehl. Die Aufgabe besteht also darin, diesen Kunststoff freundlich genug zu gestalten, damit empfindliche Nierenzellen gedeihen können, während gleichzeitig der Flüssigkeitsfluss stetig und vorhersehbar bleibt.

In einer kürzlich durchgeführten Studie versuchten Forscher, dieses Problem zu lösen, indem sie eine neue Oberfläche für diese Mikrofluidik-Chips entwickelten, die speziell darauf ausgelegt ist, Nierenzellen zu unterstützen. Sie konzentrierten sich auf ein Material namens Polydimethylsiloxan oder PDMS, welches der Standardkunststoff für die Herstellung dieser winzigen Vorrichtungen ist, da er klar, flexibel und leicht zu formen ist. Das Problem mit unbehandeltem PDMS ist, dass es hydrophob ist, was bedeutet, dass es Wasser abweist, ähnlich wie ein Regenmantel den Regen abweist. Da lebende Zellen Wasser zum Überleben benötigen, fällt es ihnen schwer, an dieser glatten Oberfläche anzuhaften. Um dies zu beheben, entwickelte das Team eine Beschichtung aus zwei gängigen Substanzen: Gelatine, die aus Kollagen gewonnen wird und den Zellen beim Anhaften hilft, und Polyvinylalkohol, ein wasserliebendes Polymer, das die Oberfläche benetzbarer macht. Sie testeten verschiedene Kombinationen dieser Materialien auf flachen Kunststoffplatten, um zu sehen, welche die Nierenzellen am besten ausbreiten und wachsen ließ. Sie fanden heraus, dass eine Mischung aus beiden Materialien besser funktionierte als entweder eines allein, wodurch die wasserabweisende Oberfläche in eine verwandelt wurde, die die Zellen willkommen heißt.

Nachdem sie die beste Beschichtung identifiziert hatten, bauten die Forscher ein Mikrofluidik-Gerät mit drei Kanälen, um sie in Aktion zu testen. Das Design bestand aus zwei Seitenkanälen, die für das Wachstum von Zellen vorgesehen waren, und einem zentralen Kanal zur Lieferung von Flüssigkeiten oder Medikamenten. Sie fertigten das Gerät an, indem sie drei Schichten des Kunststoffs zusammenführten und sie mit einer speziellen Plasmabehandlung verbanden, um Leckagen zu vermeiden. Um zu beweisen, dass das Gerät funktionierte, pumpten sie einen grünen Farbstoff mit einer Rate von 10 Mikrolitern pro Minute durch die Kanäle. Der Farbstoff floss reibungslos durch das gesamte Netzwerk und füllte jede Ecke aus, ohne zu lecken oder blockiert zu werden, was bestätigte, dass die winzigen Rohre intakt waren. Sie berechneten anschließend die physikalischen Bedingungen innerhalb dieser Kanäle. Der Fluss war langsam und stetig und bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,59 Millimetern pro Sekunde. Da die Kanäle so schmal waren und die Flüssigkeit sich so langsam bewegte, verhielt sich das Wasser auf eine sehr vorhersehbare, glatte Weise, bekannt als laminare Strömung, anstatt chaotisch zu wirbeln. Die Kraft des Wassers, die gegen die Wände des Kanals drückte, war sehr sanft und maß etwa 0,059 Pascal – ein Druckniveau, das unwahrscheinlich ist, empfindliche Zellen zu schädigen.

Nachdem das Gerät als leckfrei bestätigt und die Flussbedingungen kartiert worden waren, ging das Team zum biologischen Test über. Sie beschichteten das Innere der Kanäle mit ihrer Gelatine- und Polyvinylalkohol-Mischung und führten dann Nierenzellkarzinom-Zellen in das System ein. Unter einem Mikroskop wurden die Zellen beobachtet, wie sie sich ausbreiteten und an den beschichteten Wänden anhafteten, was ein Zeichen dafür war, dass die Oberfläche kompatibel mit Leben war. Um zu prüfen, ob die Zellen gesund waren, verwendeten die Forscher einen speziellen Farbstoff, der in lebenden Zellen grün leuchtet und in toten Zellen rot. Die Bilder zeigten ein starkes grünes Leuchten mit fast keinem Rot, was darauf hindeutete, dass die Zellen lebendig und gesund waren, nachdem sie in das Gerät gesetzt worden waren. Dies war ein entscheidender Schritt, der bewies, dass die neue Beschichtung in der Lage war, Leben in der komplexen, geschlossenen Umgebung des Chips zu unterstützen, und nicht nur in einer flachen Schale.

Um zu verstehen, wie diese Zellen auf eine Behandlung reagieren würden, führten die Forscher auch Standardmedikamententests mit denselben Arten von Zellen in regulären flachen Schalen durch. Sie setzten die Krebszellen und eine Vergleichsgruppe von nicht-krebsartigen Nierenzellen zwei verschiedenen Medikamenten aus: 5-Fluoruracil und Hydroxychloroquin. Die Ergebnisse zeigten, dass die Krebszellen wesentlich empfindlicher auf 5-Fluoruracil reagierten als auf das andere Medikament und dass sie auch empfindlicher auf dieses reagierten als die nicht-krebsartigen Zellen. Dies deutet darauf hin, dass 5-Fluoruracil potenziell die Krebszellen abtöten könnte, ohne die gesunden Zellen so stark zu schädigen. Obwohl diese Medikamententests in flachen Schalen und nicht im neuen Chip durchgeführt wurden, lieferten sie eine Basislinie für das, was zu erwarten war. Die Studie führte diese Medikamente noch nicht innerhalb des Mikrofluidik-Chips durch und testete die Zellen auch nicht unter kontinuierlichen Fließbedingungen über einen längeren Zeitraum. Stattdessen diente die Arbeit als Proof-of-Concept, der demonstrierte, dass das Surface Engineering erfolgreich war und dass der Chip in der Lage war, lebende Zellen zu beherbergen.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass es durch das Mischen von Gelatine und Polyvinylalkohol möglich ist, die Oberfläche von Mikrofluidik-Chips in eine lebensfreundliche Umgebung für Nierenzellen zu verwandeln. Dieser Fortschritt legt den Grundstein für zukünftige Experimente, bei denen Wissenschaftler sowohl krebsartige als auch gesunde Nierenzellen nebeneinander in demselben Gerät züchten können, indem sie denselben fließenden Medikamenten aussetzen, um genau zu sehen, wie die Behandlung jede Gruppe beeinflusst. Obwohl die Forscher diese vergleichenden Medikamententests noch nicht innerhalb des Chips durchgeführt haben, haben sie das notwendige Fundament geschaffen: ein Gerät, das nicht leckt, einen sanften und kontrollierten Fluss bietet und eine Oberfläche besitzt, die es Zellen ermöglicht, zu leben und zu wachsen. Diese Kombination aus Materialwissenschaft und Fluiddynamik bringt das Feld einen Schritt näher zur Schaffung eines realistischen, miniaturisierten Modells des menschlichen Nierensystems für das Testen neuer Krebstherapien.