Gelatin-PVA Surface Engineering of PDMS Toward a Renal Cell-Compatible Microfluidic Platform
Deze studie heeft een met gelatine-PVA gecoat PDMS-microfluïdisch platform ontwikkeld en gevalideerd dat succesvol renale celcultuur ondersteunt onder gecontroleerde laminaire stromingsomstandigheden, waarmee een biocompatibel en kwantitatief gedefinieerd systeem is gevestigd voor toekomstige vergelijkende geneesmiddelresponsstudies.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Nierkanker is een complexe ziekte waarbij de eigen cellen van het lichaam zich tegen het orgaan keren, ongecontroleerd groeien en resistent worden tegen standaardbehandelingen. Om betere geneesmiddelen te vinden, moeten wetenschappers nieuwe medicijnen in het laboratorium testen voordat ze deze op mensen proberen. Decennialang was de standaardmanier om dit te doen het kweken van cellen in platte, plastic schaaltjes. Hoewel deze methode eenvoudig en goedkoop is, heeft het een groot gebrek: cellen in een schaaltje liggen stil in een plas vloeistof, terwijl cellen in een menselijk lichaam constant worden doorbad door een stromende stroom van voedingsstoffen en vloeistoffen. Dit gebrek aan beweging verandert hoe cellen zich gedragen, hoe ze eruitzien en hoe ze reageren op medicijnen. Om deze kloof te overbruggen, bouwen onderzoekers kleine, transparante apparaten genaamd microfluïdische chips. Deze chips bevatten microscopisch kleine kanaaltjes die de stroom van bloed en vloeistoffen kunnen nabootsen, waardoor wetenschappers cellen in een realistischere omgeving kunnen zien leven en reageren. Het maken van deze chips werkbaar te krijgen met menselijke cellen is echter moeilijk, omdat het materiaal dat wordt gebruikt om ze te bouwen vaak water afstoot en ervoor zorgt dat cellen slecht hechten of doodgaan.
Een team van onderzoekers van het Indian Institute of Technology Jammu en het Indian Institute of Integrative Medicine heeft een belangrijke stap gezet naar het oplossen van dit probleem. Ze hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de binnenkant van deze kleine chips te behandelen, zodat nierkankercellen en gezonde niercellen in deze chips kunnen overleven en groeien. Hun werk richt zich op een materiaal genaamd poly(dimethylsiloxaan), of PDMS, wat de standaard bouwsteen is voor deze microchips omdat het transparant, flexibel en gemakkelijk te vormen is. Het probleem is dat onbehandelde PDMS van nature waterafstotend is, vergelijkbaar met het oppervlak van een gewaxte auto. Wanneer cellen op een dergelijk oppervlak worden geplaatst, hebben ze moeite om zich te hechten en uit te spreiden, waardoor ze vaak klonteren of sterven. De onderzoekers ontdekten dat door de binnenkant van de chip te coaten met een mengsel van twee veelvoorkomende stoffen — gelatine, dat afkomstig is van collageen, en polyvinylalcohol, een waterminnend polymeer — ze het oppervlak konden transformeren. Deze nieuwe coating maakte het oppervlak van de chip vriendelijk voor cellen, waardoor ze konden hechten, uitspreiden en in leven bleven, terwijl het ook een glad pad creëerde waar vloeistoffen doorheen konden stromen via de kleine kanaaltjes.
De onderzoekers bouwden een specifiek apparaat dat ontworpen is om twee verschillende soorten cellen naast elkaar te houden zonder dat ze mengen. De chip heeft drie parallelle kanalen: twee zijkanalen bedoeld om de cellen vast te houden, en een centraal kanaal om medicijnen of voedingsstoffen toe te dienen. Ze vervaardigden dit apparaat door drie lagen PDMS op elkaar te stapelen, waardoor een netwerk van kanaaltjes ontstond die 700 micrometer breed en 150 micrometer diep zijn. Om te garanderen dat het apparaat functioneerde, testten ze eerst de doorstroming van gekleurd water door de kanalen. De vloeistof bewoog soepel van het ene uiteinde naar het andere zonder te lekken of vast te lopen, wat bewees dat de lagen goed waren afgesloten en de interne paden vrij waren. Vervolgens berekenden ze de fysieke omstandigheden in de chip. Met een stroomsnelheid van 10 microliters per minuut beweegt de vloeistof met een zachte snelheid van ongeveer 1,59 millimeter per seconde. Deze langzame, constante beweging creëert een zeer laag niveau van wrijving tegen de kanaalwanden, een conditie die bekend staat als laminaire stroming, wat vergelijkbaar is met hoe bloed zachtjes door kleine vaten in het lichaam stroomt.
Voordat de onderzoekers cellen in de chip plaatsten, testten ze verschillende oppervlaktecoatings op platte stukken PDMS om te zien welke het beste werkte. Ze vergeleken onbehandelde PDMS met oppervlakken die alleen met gelatine waren gecoat, alleen met polyvinylalcohol, en een combinatie van beide. Ze maten hoe goed water zich verspreidde op elk oppervlak en observeerden hoe nierkankercellen en gezonde niercellen zich gedroegen. Het onbehandelde oppervlak was het minst effectief en zorgde ervoor dat cellen moeite hadden. De coatings met gelatine en polyvinylalcohol hielpen, maar de combinatie van beide werkte het beste. Op deze gecombineerde coating daalde de contacthoek van water aanzienlijk, wat duidt op een veel watervriendelijker oppervlak. Belangrijker nog, de cellen gedijden. Zowel de kankercellen als de gezonde vergelijkingscellen hechtten stevig, spreidden zich uit tot platte, gezonde vormen en vertoonden een hoog niveau van metabolische activiteit, wat een teken is van goede gezondheid. Dit was een cruciale bevinding omdat het bewees dat een enkele coating zowel de kankercellen als de gezonde cellen tegelijkertijd kon ondersteunen, een vereiste voor het toekomstige doel om medicijnen op beide typen tegelijkertijd te testen.
Met de beste coating geïdentificeerd, brachten de onderzoekers deze aan de binnenkant van hun driekanaalschip aan en laadden ze het met nierkankercellen. Ze introduceerden de cellen succesvol in de gecoate kanalen en lieten ze bezinken. Na een paar dagen gebruikten ze een speciale microscoop om naar de cellen te kijken. De beelden lieten zien dat de cellen levend en gezond waren, groen oplichtend onder de microscoop, zonder tekenen van de rode gloed die wijst op dode of stervende cellen. Dit bevestigde dat de coating werkte binnen de complexe, afgesloten kanalen van het apparaat, en niet alleen op platte oppervlakken. Ter voorbereiding op toekomstige medicijntesten voerden het team ook standaardexperimenten in platte schaaltjes uit om te zien hoe deze cellen reageerden op twee veelvoorkomende kankermedicijnen: 5-fluorouracil en hydroxychloroquine. Ze ontdekten dat de kankercellen veel gevoeliger waren voor 5-fluorouracil dan voor hydroxychloroquine, en dat de gezonde cellen over het algemeen resistenter waren tegen beide medicijnen dan de kankercellen. Deze resultaten boden een nulmeting voor wat ze uiteindelijk zouden verwachten wanneer ze deze tests in de stromende chip uitvoeren.
De studie concludeert dat deze gelatine-polyvinylalcohol coating een betrouwbare basis creëert voor een nieuw soort testplatform voor nierkanker. Hoewel de onderzoekers nog geen medicijnen binnen de stromende chip hebben getest of de kanker- en gezonde cellen zij aan zij in het apparaat hebben vergeleken, hebben ze de essentiële materialen en technische stappen vastgesteld die hiervoor nodig zijn. Ze hebben bewezen dat de chip zonder lekken kan worden gebouwd, dat de vloeistofstroom zacht en gecontroleerd is, en dat de oppervlaktebehandeling ervoor zorgt dat zowel kankercellen als gezonde niercellen kunnen overleven en groeien. Dit werk brengt het vakgebied dichter bij een toekomst waarin wetenschappers nieuwe behandelingen voor nierkanker kunnen testen in een laboratoriumomgeving die het menselijk lichaam nauwgezet nabootst, wat potentieel kan leiden tot veiligere en effectievere therapieën voor patiënten.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.