Создание жидких стен вокруг живых клеток

Обычные чашки для культивирования клеток можно эффективно превращать в микрофлюидные устройства, что позволяет биологам миниатюризировать рабочие процессы. В исследовании ученые из Оксфордского университета описали простой метод создания микрофлюидных структур вокруг клеток, уже растущих на стандартной поверхности чашки Петри. Они использовали границу раздела между несмешивающимися жидкостями в качестве строительного материала.

Исследователи преобразовывали обычные чашки для культивирования в сложные микрофлюидные устройства по требованию, изменяя форму жидкостных структур вокруг живых клеток. Новый метод описан как создание «жидких структур для тех клеток, которые боятся обязательств при выборе дома — их можно легко удалить и построить новые (с другой геометрией) на том же месте». Работа опубликована в Science Advances.

Метод был продемонстрирован на рабочих процессах, включающих:

  • Клонирование клеток
  • Селективное клонирование конкретного клона среди других в чашке
  • Обработку лекарствами
  • Заживление ран

Этот универсальный и биологически совместимый подход призван способствовать внедрению микрофлюидных технологий в биологии. Несмотря на популярность микрофлюидики, её применение в биологии остается ограниченным из-за:

  1. Несовместимости материалов для роста клеток.
  2. Закрытой и недоступной архитектуры микрофлюидных устройств.
  3. Предопределённой, не изменяемой во время эксперимента геометрии, что увеличивает стоимость.
  4. Несоответствия рабочих процессов, разработанных инженерами, существующим биологическим методикам.

В данной работе ученые создавали массивы изолированных микрофлюидных камер на стандартных чашках Петри для основных биологических процессов, таких как кормление клеток, клонирование, криоконсервация, иммуномечение, лизис клеток, ОТ-ПЦР и редактирование генов CRISPR-Cas9. Ключевое отличие: структуры создавались вокруг уже прикрепившихся клеток и могли перестраиваться в реальном времени.

Новая техника и эксперименты

Методика:

  1. Дно чашки Петри покрывали тонкой плёнкой среды для культивирования тканей.
  2. Сверху наносили несмешивающийся фтороуглерод (FC40) для предотвращения испарения и защиты от загрязнений.
  3. С помощью тефлонового наконечника, касаясь дна чашки, формировали микрофлюидные структуры нужной формы (например, квадрат), оттесняя водную фазу.

Таким образом, преимущества открытой микрофлюидной платформы были перенесены на стандартную посуду для культивирования клеток. Ученые продемонстрировали создание сложных форм (сетка, круг в треугольнике в квадрате), используя микролитры красителей, которые не смешивались благодаря FC40.

Клонирование клеток:

Были созданы массивы камер для клонирования клеток мышиной маммарной опухоли (NM18). Клетки росли свободно, окружённые проницаемой для O2 и CO2 стенкой из FC40. Позже вокруг отдельных клеток, выросших в клоны, формировали жидкие стенки различной формы. Важное преимущество: метод не требует предварительной обработки поверхности для адгезии клеток.

Применения

Селекция клонов и тестирование лекарств:

  1. Селекция клонов: Создавалась «референтная» пластина, позволяющая изолировать интересующие клоны клеток от других путём «печати» вокруг них жидких стенок. После изоляции колонии можно было забрать и выращивать обычным способом.

  2. Тестирование лекарств:

    • В центральную камеру добавляли только среду для роста, а в окружающие — смертельную дозу ингибитора трансляции пуромицина. Клетки выживали только в центральной камере, что подтвердило эффективность барьера из FC40.
    • На клетках человеческой эмбриональной почки с промотором зелёного флуоресцентного белка, активируемым фактором некроза опухоли-α (TNF-α), показали, что жидкие стенки служат эффективным барьером для воздействия препарата.

Заживление ран:

Проведены анализы заживления «ран» на одной чашке с двумя разными покрытиями (Matrigel и фибронектин). После образования монослоя клеток HEK «рану» создавали, проводя тефлоновым наконечником. Клетки мигрировали в раны с разной скоростью в зависимости от покрытия. Метод также позволяет наносить покрытие после начала миграции клеток.

Заключение

Разработана гибкая микрофлюидная платформа для миниатюризации биологических рабочих процессов непосредственно вокруг предварительно высеянных клеток. Преимущества платформы:

  • Гибкость и настраиваемость
  • Экономическая эффективность
  • Возможность перенастройки в реальном времени

Ограничения: структуры двумерны, а жидкие стенки более хрупкие по сравнению с твёрдыми. Учёные надеются оптимизировать метод, чтобы предоставить биологам новую платформу для использования возможностей микрофлюидики.