توصيفگر ها :
سرطان، متاستاز، چيپ ميكروفلوئيديك، ليتوگرافي، كشت سهبعدي. , سرطان , متاستاز , چيپ ميكروفلوئيديك , ليتوگرافي , كشت سه بعدي
چكيده فارسي :
چكيده
يكي از روشهاي آزمايشگاهي رايج در بررسي اثربخشي يك داروي پيشنهادي در درمان سرطان، داروي مورد نظر با سلولهاي كشت
داده شده در شرايط آزمايشگاهي است. كشت سلول به طور سنتي به صورت تك اليههاي دوبعدي در محيطهاي بيحركت مانند
پتريديش يا فالسك انجام ميشود. با توجه به آن كه سلول در فالسك در دوبعد كشت ميشود، دستهاي از ارتباطهاي بين سلولي كه
در حالت طبيعي در بدن انسان به صورت سهبعدي ميباشد را، از دست ميدهد. به دليل اين تفاوتها در برهمكنش سلولي در كشتهاي
دوبعدي )برهمكنش سلول - سلول و سلول - محيط اطراف(، همچنين تفاوت در دسترسي به اكسيژن، مواد غذايي و غيره و نيز تفاوت
در قطبيت و ويژگيهاي فيزيكي و مكانيكي سلولها و تاثير اين موارد بر بسياري از فرآيندهاي حياتي سلول )از قبيل رشد، تمايز، پاسخ
به محرك و غيره( نسبت به شرايط طبيعي، كشتهاي دوبعدي نميتوانند مدلهاي مناسبي براي تعميم نتايج بررسيهاي دارويي باشند.
براي رفع اين مشكل كشت سلول به شيوه سهبعدي پيشنهاد ميشود.
در مطالعه حاضر يك طرح اوليه سيستم ميكروفلوئيديك براي مطالعه كمي مهاجرت و تهاجم سلولي با امكان بررسي و ارزيابي
روند مهاجرت سلولهاي مهاجم سرطاني سينه و بهبود عملكرد آن را در نظر گرفته شده است. هدف كلي اين مطالعه ساخت يك چيپ
اوليه مناسب براي مانيتورينگ حركت سلولي بود. در اين سيستم ميكروفلوئيديك، نيمدايرههاي متحدالمركز با فاصلهي يك ميليمتر
وجود دارد كه يكسري كانالهاي عمود بر كانالهاي اصلي با ابعاد ميكروني وجود خواهد داشت كه در واقع شبيهسازي مويرگها و رگ
هاي لنفي هستند. براي اين كار ابتدا مطابق با پژوهش هاي گذشته يك چيپ اوليه طراحي گرديد. چيپ طراحي شده وارد نرمافزار
كامسول شده و كارايي آن مورد شبيهسازي قرار گرفت. نحوه پرشدن كانالهاي مياني كه حاوي سلول است با استفاده از جريان دوفازي
و بررسي سرعت و فشار در كانال جانبي براي تغذيه سلولها با استفاده از جريان آرام انجام گرديد. نتايج شبيهسازي نشان داد در چيپ
نهايي سرعت و فشار بيشينه به ترتيب برابر 3.77 ميليمتر بر ثانيه و 1.26 كيلو پاسكال بود. در ادامه با توجه نتايج شبيهسازي چيپ
اوليه بهينهسازي انجام گرفت. با توجه به شبيهسازي انجام شده و امكانات ساخت، ارتفاع كانال از 200 ميكرون به 150 ميكرون كاهش
يافت. فاصله نيمدايرههاي متحدالمركز از 420 ميكرون به 460 ميكرون افزايش يافت. كليه زواياي كانالها در چيپ الگو 45 درجه
بودند كه به ترتيب از بيرونيترين كانال از 45 درجه به 35 درجه و كانال دوم بدون تغيير و كانال سوم از 45 به 55 درجه تغيير يافتند.
الگو ذوزنقهها در چيپ نيز تغيير يافت. براي اطمينان از عملكرد چيپ بهينه مجدد بر روي آن شبيهسازي صورت گرفت. پر شدن چيپ
بهينه مشابه چيپ اوليه بوده و سرعت بيشينه آن 0.36 درصد كاهش يافته كه براي طول عمر آن مفيد است. قالب نهايي با استفاده از
روش ليتوگرافي ساخته شد. در انتها چيپ مورد نظر در آزمايشگاه براي تست سلول مورد استفاده قرار گرفت، در كانال و نحوه پر شدن
كانالهاي مياني و حركت سيال در كانال جانبي مورد ارزيابي قرار گرفت.
10×20 سلول در هر ميليليتر شمارش شده و با محلول كالژن نوع يك با غلظت 2 ميلي 6 سلولهاي -231MB-MDA با تعداد
گرم در ميليليتر مخلوط گرديد. 2 ميكروليتر مخلوط سلول-هيدروژل از قسمت ورودي چيپ ميكروفلوئيديك شماره 1 به داخل كانال
مركزي )مربوط به سلولهاي تومور( بارگذاري شد. سپس ميكروچيپ به منظور پليمريزاسيون ژل به مدت 20 دقيقه در دماي 37 درجه
سانتيگراد، داخل انكوباتور 2CO قرار داده شد تا ساختار سهبعدي ايجاد شود. سپس كانال دوم با كالژن تنها، به عنوان استروما پر شد
و ميكروچيپ به منظور پليمريزاسيون ژل كالژن به مدت 20 دقيقه در دماي 37 درجه سانتيگراد، داخل انكوباتور 2CO قرار داده شد.
كانالهاي بعدي از محيط كشت پر شد. روز اول، سوم و ششم عكسبرداري انجام شد. نتايج به دست آمده نشاندهنده زندهماني سلول
ها و مهاجرت تدريجي آنها از كانال اصلي به كانال استروما بود. البته محدوديتهايي نظير ايجاد حباب، تبخير سطحي محيط كشت و
نشت مايع در چيپهاي اوليه وجود داشت كه با اصالحهاي انجام شده بهبود پيدا كرد.
به طور كلي، چيپ حاضر ميتواند به عنوان يك سيستم ميكروفلوئيديك بهينه براي مطالعه مهاجرت سلولي مهاجم سرطان در
پژوهش آينده مورد استفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي :
Abstract
One of the common laboratory methods to check the effectiveness of a proposed drug in cancer
treatment is the drug in question with cultured cells in laboratory conditions. Cell culture is
traditionally performed as two-dimensional monolayers in static environments such as petri
dishes or flasks. Due to the fact that the cell is cultured in the flask in two dimensions, it loses
some of the inter-cellular connections that are normally three-dimensional in the human body.
Because of these differences in cell interaction in two-dimensional cultures (cell-cell and cell-
surrounding interaction), as well as differences in access to oxygen, food, etc., as well as
differences in the polarity and physical and mechanical characteristics of cells and the impact of
them on many on many vital processes of the cell (such as growth, differentiation, response to
stimuli, etc.), compared to natural conditions, 2D cultures cannot be suitable models for
generalizing the results of pharmacological investigations. To solve this problem, 3D cell culture
is suggested.
In the present study, a microfluidic system design for the quantitative study of cell migration and
invasion with the possibility of investigating and evaluating the migration process of invasive
breast cancer cells and improving its performance is considered. The overall goal of this study
was to make a basic chip suitable for monitoring cell movement. In this microfluidic system,
there are concentric semicircles with a distance of one millimeter, and there will be a series of
channels perpendicular to the main channels with micron dimensions, which are actually the
simulation of capillaries and lymphatic vessels. For this, a basic chip was designed according to
previous research. The designed chip was entered into COMSOL software and its performance
was simulated. The method of filling the middle channels that contains cells was done using
biphasic flow and checking the speed and pressure in the side channel to feed the cells using
slow flow. The simulation results showed that in the final chip, the maximum speed and pressure
were equal to 3.77 mm/s and 1.26 kPa respectively. Continuingly, according to the simulation results of the basic chip, optimization was done. According to the performed simulation and
manufacturing facilities, the height of the channel was reduced from 200 microns to 150 microns.
The distances of the concentric semicircles increased from 420 microns to 460 microns. All the
angles of the channels in the model chip were 45 degrees, which were respectively changed from
the outermost channel from 45 degrees to 35 degrees, the second channel remained unchanged,
and the third channel changed from 45 to 55 degrees. The pattern of trapezoids in the chip was
also changed. To ensure optimal chip performance, simulation was done on it again. The optimal
chip filling is similar to the original chip and its maximum speed is reduced by 0.36%, which is
useful for its longevity. The final mold was made using the lithography method. At the end, the
desired chip was used in the laboratory for cell testing, the filling of the middle channels and the
fluid movement in the side channel were evaluated in the channel.
MDA-MB-231 cells (20×106 cells/ml) were prepared and mixed with collagen type 1 solution
at a concentration of 2 mg/ml. Two microliters of a mixture of cell-hydrogel were loaded into
the central channel of microfluidic chip number 1 (related to tumor cells). Afterwards, the
microchip was placed in a CO2 incubator at 37 °C for 20 min for gel polymerization to create a
three-dimensional structure. Following this, the second channel was filled only with collagen, as
stroma, and the microchip was placed in a CO2 incubator at 37 degrees for 20 minutes to
polymerize the collagen gel. The next channels were filled with culture medium.