Surface engineering of PDMS using gelatin-polyvinyl alcohol for renal cell-compatible microfluidic applications
Questo studio ha sviluppato una piattaforma microfluidica in PDMS rivestita di gelatina-alcol polivinilico che crea con successo un ambiente di flusso laminare stabile e a basso sforzo di taglio, supportando l'adesione e la vitalità delle cellule renali, stabilendo così un sistema fondamentale per futuri studi comparativi di risposta ai farmaci in vitro.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Il tumore al rene è una malattia complessa in cui le cellule stesse del corpo si rivoltano contro l'organo che filtra il sangue. Per trovare trattamenti migliori, gli scienziati devono testare i farmaci su cellule viventi in un modo che imiti il corpo umano. Per decenni, i ricercatori hanno fatto crescere queste cellule in piatti di plastica piatti, ma questo ambiente statico tralascia un dettaglio cruciale: in un vero corpo, le cellule sono costantemente immerse in fluidi in movimento che trasportano nutrienti e rimuovono i rifiuti. Questo flusso esercita anche una leggera pressione fisica sulle cellule, il che può cambiare il loro comportamento e il modo in cui reagiscono ai medicinali. Per studiare questo fenomeno, gli scienziati utilizzano piccoli dispositivi chiamati chip microfluidici, che sono essenzialmente sistemi di tubature in miniatura realizzati in plastica trasparente e flessibile. Questi chip permettono ai ricercatori di pompare fluidi attraverso canali microscopici e osservare le cellule vivere e reagire in tempo reale. Tuttavia, la plastica utilizzata per fabbricare questi chip è naturalmente idrorepellente, il che rende difficile per le cellule aderire alla superficie e crescere correttamente. Se le cellule non riescono ad attaccarsi, l'esperimento fallisce. La sfida, dunque, è rendere questa plastica abbastanza amichevole da permettere alle delicate cellule renali di prosperare, mantenendo al contempo il flusso del liquido costante e prevedibile.
In uno studio recente, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di risolvere questo problema creando una nuova superficie per questi chip microfluidici, progettata specificamente per sostenere le cellule renali. Si sono concentrati su un materiale chiamato polidimetilsilossano, o PDMS, che è lo standard per la realizzazione di questi piccoli dispositivi perché è trasparente, flessibile e facile da modellare. Il problema del PDMS non trattato è che è idrofobico, ovvero respinge l'acqua proprio come un impermeabile respinge la pioggia. Poiché le cellule viventi hanno bisogno di acqua per sopravvivere, faticano ad attaccarsi a questa superficie scivolosa. Per risolvere il problema, il team ha sviluppato un rivestimento composto da due sostanze comuni: la gelatina, che deriva dal collagene e aiuta le cellule ad aderire, e l'alcol polivinilico, un polimero che ama l'acqua e rende la superficie più umida. Hanno testato diverse combinazioni di questi materiali su fogli piatti di plastica per vedere quale permettesse alle cellule renali di diffondersi e crescere meglio. Hanno scoperto che una miscela dei due funzionava meglio di ciascuno preso singolarmente, trasformando la superficie idrorepellente in una che accoglieva le cellule.
Una volta identificato il rivestimento migliore, i ricercatori hanno costruito un dispositivo microfluidico a tre canali per testarlo in azione. Il design presentava due canali laterali destinati alla crescita delle cellule e un canale centrale per la consegna di fluidi o farmaci. Hanno fabbricato il dispositivo sovrapponendo tre fogli di plastica, incollandoli insieme con un speciale trattamento al plasma per garantire l'assenza di perdite. Per dimostrare che il dispositivo funzionava, hanno pompato un colorante verde attraverso i canoli a una velocità di 10 microlitri al minuto. Il colorante scorreva fluidamente attraverso l'intera rete, riempiendo ogni angolo senza perdite o blocchi, confermando che la minuscola tubatura era intatta. Hanno poi calcolato le condizioni fisiche all'interno di questi canali. Il flusso era lento e costante, muovendosi a una velocità di circa 1,59 millimetri al secondo. Poiché i canali erano molto stretti e il fluido si muoveva molto lentamente, l'acqua si comportava in modo molto prevedibile e fluido, noto come flusso laminare, piuttosto che vorticosamente. La forza dell'acqua che premeva contro le pareti del canale era molto delicata, misurando circa 0,059 pascal, un livello di pressione che è improbabile che danneggi le cellule delicate.
Con il dispositivo confermato privo di perdite e le condizioni di flusso mappate, il team è passato al test biologico. Hanno rivestito l'interno dei canali con la loro miscela di gelatina e alcol polivinilico e poi hanno introdotto le cellule tumorali renali nel sistema. Sotto un microscopio, le cellule sono state viste diffondersi e attaccarsi alle pareti rivestite, un segno che la superficie era compatibile con la vita. Per verificare se le cellule fossero sane, i ricercatori hanno utilizzato una speciale colorazione che brilla di verde nelle cellule viventi e di rosso in quelle morte. Le immagini mostravano un forte bagliore verde con quasi nessun rosso, indicando che le cellule erano vive e in salute dopo essere state collocate nel dispositivo. Questo è stato un passaggio critico, provando che il nuovo rivestimento poteva sostenere la vita all'interno del complesso ambiente chiuso del chip, non solo in un piatto piatto.
Per capire come queste cellule avrebbero reagito al trattamento, i ricercatori hanno anche eseguito test standard sui farmaci sugli stessi tipi di cellule in normali piatti piatti. Hanno esposto le cellule tumorali e un gruppo di confronto di cellule renali non cancerose a due farmaci diversi: il 5-fluorouracile e l'idrossiclorochina. I risultati hanno mostrato che le cellule tumorali erano molto più sensibili al 5-fluorouracile rispetto all'altro farmaco, e che erano anche più sensibili ad esso rispetto alle cellule non cancerose. Ciò suggerisce che il 5-fluorouracile potrebbe potenzialmente uccidere le cellule tumorali senza danneggiare troppo quelle sane. Sebbene questi test sui farmaci siano stati eseguiti in piatti piatti e non nel nuovo chip, hanno fornito una base di riferimento per sapere cosa aspettarsi. Lo studio non ha ancora testato questi farmaci all'interno del dispositivo microfluidico, né ha testato le cellule in condizioni di flusso continuo per un lungo periodo. Invece, il lavoro è servito come prova di concetto, dimostrando che l'ingegneria della superficie era stata un successo e che il dispositivo poteva ospitare cellule viventi.
Lo studio conclude che, mescolando gelatina e alcol polivinilico, è possibile trasformare la superficie dei chip microfluidici in un ambiente ospitale per le cellule renali. Questo progresso pone le basi per futuri esperimenti in cui gli scienziati potranno far crescere sia cellule renali cancerose che sane fianco a fianco nello stesso dispositivo, esponendole agli stessi farmaci in flusso per vedere esattamente come il trattamento influenzi ciascun gruppo. Sebbene i ricercatori non abbiano ancora eseguito questi test comparativi sui farmaci all'interno del chip, hanno stabilito la necessaria fondamenta: un dispositivo che non perde, un flusso che è dolce e controllato, e una superficie che permette alle cellule di vivere e crescere. Questa combinazione di scienza dei materiali e dinamica dei fluidi avvicina il campo alla creazione di un modello realistico e in miniatura del rene umano per testare nuove terapie contro il cancro.
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