하이드로겔

Oct 11, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17781(2022) 이 기사 인용

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세포외 기질 환경, 세포 및 생리학적으로 관련된 관류를 결합하는 미세유체 장치는 세포 배양 플랫폼으로서 유리합니다. 우리는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 하이드로겔 캡슐화 U87 교모세포종 세포를 폴리디메틸 실록산(PDMS)의 막 덮인 우물에 적재하여 하이드로겔 기반 미세유체 세포 배양 플랫폼을 개발했습니다. 다층 미세유체 세포 배양 시스템은 이전에 보고된 설계 기능을 세포 배양 챔버의 2D 배열을 로드하고 생체모방적으로 관류하는 구성에 결합합니다. 배열의 한 차원은 미세유체 농도 구배 생성기(MCGG)에 의해 공급되는 반면 직교 차원은 별도의 층에서 세포 배양 챔버의 행을 채우는 로딩 채널을 제공합니다. 일반적인 나무 모양의 MCGG 믹서와 달리 초기 용질 농도의 1, ½, ¼ 및 0의 분수 계열 희석은 입력 마이크로채널 폭을 조정하여 달성됩니다. 하이드로겔은 모든 웰에 효율적이고 재현 가능하게 로드되며 세포는 하이드로겔 전체에 고르게 분포되어 최대 4일 동안 90% 이상의 생존율을 유지합니다. 약물 스크리닝 분석에서는 관류 용액에서 하이드로겔 캡슐화 U87 세포로의 테모졸로미드와 카르무스틴의 확산이 측정되고 용량-반응 곡선이 생성되어 교모세포종 미세 환경의 시험관 내 모방으로서의 유용성을 입증합니다.

종양학 중재를 위해 개발된 약물의 거의 97%가 부적절한 약물 모델, 특히 시험관 내 2차원(2D) 세포 배양 모델에 대한 의존으로 인해 임상 시험 중에 실패합니다1. 시험관 내 2D 세포 배양 모델은 사용하기 편리하지만 일반적으로 사용되는 딱딱하고 평면적인 플라스틱의 평평한 형태에 의해 세포 행동이 영향을 받기 때문에 복잡한 종양 미세 환경을 제대로 표현하지 못합니다. 2D 세포 배양 모델에 대한 우려를 해결하기 위해 종양 미세 환경4의 생리학적으로 더 관련성이 높은 모방으로서 3차원(3D) 암 세포 배양 모델로 전환되었습니다. 전반적으로 3D 종양 모델은 회전 타원체, 오가노이드 또는 매트릭스 기반 배양 및 공동 배양과 같은 다양한 형태를 취할 수 있습니다5,6. 복잡성을 추가하고 생리학적 관련성을 향상시키기 위해 3D 종양 모델을 미세유체 장치와 결합하여 관류를 허용하거나 혈관화를 모방할 수 있습니다7. 세포, 세포외 기질 및 관류를 결합하는 미세 유체 시스템은 생체 내 종양 미세 환경을 잘 모방하고 비용이 저렴하고 재현성이 있으며 작은 배양량을 사용할 수 있으며 원하는 응용 분야에 최적화할 수 있는 제어 가능한 디자인을 갖추고 있습니다8, 9. 관류 기반 세포 배양 시스템은 생체 내 대량 수송을 모방하고 가용성 인자를 생물학적 농도에 가깝게 유지하는 방식으로 세포에 영양분을 제공하고 대사 폐기물을 제거합니다10. 또한 미세 유체 시스템 내에서 시간적 및 공간적 구배가 생성되어 약물 스크리닝 플랫폼으로서의 가치가 더욱 확장될 수 있습니다8. 그러나 부착성 포유류 세포의 3D 배양을 위한 강력한 미세유체 관류 시스템을 설계하고 운영하는 것은 어려운 일입니다3. 문제는 적절한 배양 구성, 재료 또는 미세유체 네트워크 제작 선택과 같은 장치 설계와 관련될 수도 있고, 멸균, 장치의 세포 파종, 세포 생존 가능성을 최대화하기 위한 물질 전달 및 유동 전단 응력 최적화와 같은 순전히 기술적인 문제일 수도 있습니다. 관류 채널의 기포를 피하는 것입니다.

그라데이션 믹서는 세포 유지, 줄기 세포 분화 또는 다양한 생물학적 질문에 답하는 데 사용할 수 있는 세포 배양 시스템에 용해성 인자의 개별 농도를 공급하기 위해 온칩 혼합을 제공하는 데 사용할 수 있는 미세 유체 시스템용으로 개발되었습니다. 이러한 미세 유체 믹서 중 다수는 여기에 사용된 설계와 유사하게 각 단계가 끝나기 전에 완전한 혼합이 필요한 여러 단계의 나무 모양 구조를 활용합니다8,12,13. 온칩 그라데이션 형성은 피펫팅 오류 가능성을 제거하고, 오염 가능성을 줄이며, 외부에서 생성된 그라데이션14,15을 사용하는 미세 유체 장치에 비해 설정을 단순화하는 미세 유체 입구 수를 줄입니다.