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

Nierkanker is een complexe ziekte waarbij de eigen cellen van het lichaam zich tegen het orgaan keren dat het bloed filtert. Om betere behandelingen te vinden, moeten wetenschappers medicijnen testen op levende cellen op een manier die het menselijk lichaam nabootst. Decennialang hebben onderzoekers deze cellen gekweekt in platte plastic schalen, maar deze statische omgeving mist een cruciaal detail: in een echt lichaam worden cellen constant omspoeld door stromende vloeistoffen die voedingsstoffen aanvoeren en afvalstoffen verwijderen. Deze stroming oefent ook een zachte fysieke druk uit op de cellen, wat hun gedrag en hun reactie op medicijnen kan veranderen. Om dit te bestuderen, gebruiken wetenschappers piepkleine apparaten die microfluïdische chips worden genoemd, die in essentie miniaturele loodgieterssystemen zijn gemaakt van helder, flexibel plastic. Deze chips stellen onderzoekers in staat om vloeistoffen door microscopische kanaaltjes te pompen en cellen in realtime te zien leven en reageren. De plastic die voor deze chips wordt gebruikt is echter van nature waterafstotend, wat het moeilijk maakt voor cellen om aan het oppervlak te hechten en goed te groeien. Als de cellen niet kunnen hechten, mislukt het experiment. De uitdaging is dan om dit plastic vriendelijk genoeg te maken zodat delicate niercellen kunnen gedijen, terwijl de stroom van de vloeistof stabiel en voorspelbaar blijft.

In een recente studie probeerden onderzoekers dit probleem op te lossen door een nieuw oppervlak voor deze microfluïdische chips te creëren, specifiek ontworpen om niercellen te ondersteunen. Ze richtten zich op een materiaal genaamd polydimethylsiloxaan, of PDMS, dat de standaard is voor het maken van deze kleine apparaten omdat het helder, flexibel en gemakkelijk te vormen is. Het probleem met onbehandeld PDMS is dat het hydrofoob is, wat betekent dat het water afstoot net zoals een regenjas regen afstoot. Aangezien levende cellen water nodig hebben om te overleven, hebben ze moeite om zich aan dit gladde oppervlak te hechten. Om dit op te lossen, ontwikkelde het team een coating gemaakt van twee veelvoorkomende stoffen: gelatine, die afkomstig is van collageen en cellen helpt hechten, en polyvinylalcohol, een waterminnend polymeer dat het oppervlak vochtiger maakt. Ze testten verschillende combinaties van deze materialen op platte vellen van het plastic om te zien welke de niercellen het beste liet uitspreiden en groeien. Ze ontdekten dat een mengsel van de twee beter werkte dan elk van de twee alleen, waardoor het waterafstotende oppervlak veranderde in een oppervlak dat de cellen verwelkomde.

Zodra ze de beste coating hadden geïdentificeerd, bouwden de onderzoekers een microfluïdisch apparaat met drie kanalen om het in actie te testen. Het ontwerp bestond uit twee zijkanalen bedoeld voor het kweken van cellen en een centraal kanaal voor het leveren van vloeistoffen of medicijnen. Ze vervaardigden het apparaat door drie lagen van het plastic op elkaar te stapelen en deze samen te voegen met een speciale plasmabehandeling om lekken te voorkomen. Om te bewijzen dat het apparaat werkte, pompten ze een groene kleurstof door de kanalen met een snelheid van 10 microliter per minuut. De kleurstof stroomde soepel door het hele netwerk en vulde elke hoek zonder te lekken of geblokkeerd te raken, wat bevestigde dat de kleine loodgieterij intact was. Vervolgens berekenden ze de fysieke omstandigheden binnen deze kanalen. De stroming was traag en gestaag, met een snelheid van ongeveer 1,59 millimeter per seconde. Omdat de kanalen zo smal waren en de vloeistof zo langzaam bewoog, gedroeg het water zich op een zeer voorspelbare, gladde manier, bekend als laminaire stroming, in plaats van chaotisch te wervelen. De kracht waarmee het water tegen de wanden van het kanaal duwde, was zeer zacht en mat ongeveer 0,059 pascal, een druk die onwaarschijnlijk is om delicate cellen te beschadigen.

Nadat het apparaat is bevestigd als lekvrij en de stroomcondities in kaart zijn gebracht, ging het team over naar de biologische test. Ze bedekten de binnenkant van de kanalen met hun gelatine- en polyvinylalcoholmengsel en introduceerden vervolgens nierkankercellen in het systeem. Onder een microscoop werden de cellen gezien terwijl ze zich verspreidden en zich hechtten aan de gecoate wanden, een teken dat het oppervlak compatibel was met het leven. Om te controleren of de cellen gezond waren, gebruikten de onderzoekers een speciale kleuring die groen oplicht in levende cellen en rood in dode cellen. De beelden toonden een sterke groene gloed met bijna geen rood, wat aangaf dat de cellen levend en gezond waren nadat ze in het apparaat waren geplaatst. Dit was een cruciale stap, die bewees dat de nieuwe coating leven kon ondersteunen in de complexe, afgesloten omgeving van de chip, en niet alleen in een platte schaal.

Om te begrijpen hoe deze cellen zouden reageren op een behandeling, voerden de onderzoekers ook standaard medicijntesten uit op hetzelfde type cellen in gewone platte schalen. Ze stelden de kankercellen en een controlegroep van niet-kankercellen van de nieren bloot aan twee verschillende medicijnen: 5-fluorouracil en hydroxychloroquine. De resultaten toonden aan dat de kankercellen veel gevoeliger waren voor 5-fluorouracil dan voor het andere medicijn, en dat ze ook gevoeliger waren voor het dan de niet-kankercellen waren. Dit suggereert dat 5-fluorouracil potentieel de kankercellen zou kunnen doden zonder de gezonde cellen evenveel te schaden. Hoewel deze medicijntesten in platte schalen werden uitgevoerd en niet in de nieuwe chip, boden ze een nulmeting voor wat te verwachten. De studie heeft deze medicijnen nog niet in de microfluïdische chip uitgevoerd, noch heeft het de cellen onder continue stromende omstandigheden gedurende een lange periode getest. In plaats daarvan diende het werk als een bewijs van concept, waarmee werd aangetoond dat de oppervlakteengineering succesvol was en dat de chip levende cellen kon huisvesten.

De studie concludeert dat door het mengen van gelatine en polyvinylalcohol mogelijk is om het oppervlak van microfluïdische chips te transformeren in een gastvrije omgeving voor niercellen. Deze vooruitgang legt de basis voor toekomstige experimenten waarbij wetenschappers zowel kankercellen als gezonde niercellen naast elkaar in hetzelfde apparaat kunnen kweken, waarbij ze worden blootgesteld aan dezelfde stromende medicijnen om precies te zien hoe de behandeling elke groep beïnvloedt. Hoewel de onderzoekers deze vergelijkende medicijntesten nog niet in de chip hebben uitgevoerd, hebben ze het noodzakelijke fundament gelegd: een apparaat dat niet lekt, een stroming die zacht en gecontroleerd is, en een oppervlak dat cellen in staat stelt te leven en te groeien. Deze combinatie van materiaalkunde en vloeistofdynamica brengt het vakgebied een stap dichter bij het creëren van een realistisch, miniatuurmodel van de menselijke nier voor het testen van nieuwe kankertherapieën.