Im Allgemeinen werden Hydrogele als Gerüstmaterialien für die Immobilisierung von Zellen in einem Mikrofluidik-Chip verwendet. Für die Herstellung dreidimensionaler Zell-Hydrogel-Gerüste wurden verschiedene Strategien angewendet. In diesem Übersichtsartikel erörtern wir die wichtigsten Hydrogele, die in mikrofluidischen Systemen eingesetzt werden können, sowie die Methoden zur Herstellung dieser Gerüste.
Die wichtigsten Arten von Hydrogelen
Alginat
Alginat kommt in den Zellwänden von Braunalgen weit verbreitet vor, ist hydrophil und bildet bei Hydratisierung einen viskosen Schleim. In unserem Fall können Alginate – aus Algen gewonnene Polysaccharide –, die nach Zugabe von Kalziumionen ein Hydrogel bilden, potenziell für die Synthese von Zellgerüsten verwendet werden. Es ist bekannt, dass Alginat in Gegenwart von zweiwertigen Metallkationen wie Kalzium und Magnesium vernetzte Strukturen bildet, die als „Eierkartonstrukturen“ bezeichnet werden. Dieses Hydrogel weist mehrere interessante Eigenschaften auf, wie beispielsweise seine hohe Absorptionsfähigkeit und Biokompatibilität, die für klinische oder biologische Anwendungen sehr gefragt sind. Darüber hinaus wird Alginat durch die chemische Modifikation mittels Einbau funktioneller Gruppen in die Carboxylgruppe zu einem „intelligenten Material“, da es auf Licht, Temperatur und Ultraschallreize reagiert. Die Adhäsion von Alginat an Zellen lässt sich zudem durch die Einbindung von Zelladhäsionsmolekülen in die Seitenketten verbessern. Alginat wurde in Form von isotropen Hydrogelen genutzt.
Matrigel
Die extrazelluläre Matrix der Zellen besteht zu einem großen Teil aus Kollagen. Während die 3D-Kultur die Welt der Forschung bereits seit mehreren Jahren revolutioniert, hat auch die Möglichkeit, eine 3D-Matrix nachzubilden, an Bedeutung gewonnen. Das Produkt Matrigel® der Marke Corning ermöglicht genau dies. Das hauptsächlich aus Kollagen bestehende Matrigel® sorgt dafür, dass die Zellen in einem 3D-Gerüst ihre ursprüngliche Morphologie beibehalten, und bietet so eine geeignete Umgebung, um den funktionellen Phänotyp dieser Zellen zu erhalten.
Gelatine
Die Schmelztemperatur der Gelatine beträgt 40 °C. Oberhalb dieser Temperatur liegen die Gelatineketten in Form von Spiralen vor. Die Gelatinelösung befindet sich in einer viskosen flüssigen Phase, der sogenannten „Sol“-Phase. Unterhalb von 30 °C findet eine Renaturierung der nativen Dreifachhelixstruktur statt, und die Ketten bilden erneut ein dreidimensionales Netzwerk aus helikalen Segmenten, die durch einzelsträngige Spiralen verbunden sind. Die Gelatine verhält sich dann elastisch und befindet sich in der sogenannten „Gel“-Phase. Der Übergang zwischen den Spiralen und den Helixen ist vollständig reversibel, und der Übergang von einer Phase in die andere wird als „Sol-Gel“-Übergang bezeichnet. Aufgrund all dieser physikalischen Eigenschaften ist Gelatine, ebenso wie die oben vorgestellten Hydrogele, ein Material der Wahl für die Zellverkapselung.
Mischung aus Hydrogelen
Obwohl jedes dieser Hydrogele seine eigenen Eigenschaften aufweist und einzeln zur Einkapselung der Zellen verwendet werden kann, ist eine Mischung aus Hydrogelen die beste Lösung. In der Mikrofluidik ist es nicht ungewöhnlich, Alginat mit Matrigel zu kombinieren, beispielsweise um zellhaltige Tröpfchen zu gelieren. Tatsächlich ermöglicht diese Kombination von Hydrogelen insbesondere eine verstärkte Zellausbreitung [de Guzman et al. 2008, J. Microencapsul].
Verfahren zur Herstellung von 3D-Gerüsten in der Mikrofluidik
Der Mechanismus zur Gelbildung eines Hydrogels kann mitunter knifflig sein, was die Herstellung und Handhabung von Gelen erschwert. Tatsächlich gibt es drei Hauptmethoden, um ein 3D-Gerüst in der Mikrofluidik zu erzeugen: das Forced-Floating-Verfahren, das Hanging-Drop-Verfahren und das auf Rühren basierende Verfahren. In der folgenden Tabelle finden Sie alle Vor- und Nachteile dieser drei Methoden.
| Verfahren | Vorteile | Nachteile |
| „Forced-Floating“-Ansatz: Verhinderung der Anhaftung von Zellen an der Oberfläche | - Relativ einfach – Preiswert -Geeignet für Tests mit hohem Durchsatz - Die hergestellten Sphäroide sind leicht zugänglich | – Schwankungen bei Zellgröße und -form, sofern keine feste Zellzahl pro Vertiefung vorgegeben ist - Das Beschichten von Platten in Eigenregie ist relativ arbeitsintensiv |
| „Hanging-Drop“-Verfahren: fördert das Zellwachstum in Suspension | -Kostengünstig bei Verwendung einer handelsüblichen 96-Well-Platte – Homogene Sphäroide, die sich für Hochdurchsatz-Tests eignen - Die hergestellten Sphäroide sind leicht zugänglich | - Teurer, wenn spezielle Platten verwendet werden - Arbeitsintensiv, wenn die Platten im eigenen Haus vorbereitet werden - Das geringe Kulturvolumen erschwert den Medienwechsel, ohne die Zellen zu stören (vorgeschlagene einfachere Handhabung mit handelsüblichen Formaten) |
| Auf Bewegung basierender Ansatz: Die Zellen werden dazu angeregt, sich aneinander anzuheften und so ein 3D-Sphäroid zu bilden | – Einfache Zellkultivierung – Eine Produktion in großem Maßstab ist relativ leicht zu realisieren – Die Bewegung der Kultur fördert den Nährstofftransport – Die hergestellten Sphäroide sind leicht zugänglich | – Spezielle Ausrüstung erforderlich – Keine Kontrolle über die Zellzahl bzw. Größe des Sphäroids (kann durch einen zusätzlichen Kultivierungsschritt umgangen werden; siehe „Methoden zum erzwungenen Schweben“) – Zeitaufwendig für HTS aufgrund eines zusätzlichen Schritts, der für homogene Sphäroide erforderlich ist – Zellen, die in Spinnerkolben möglicherweise einer Scherbeanspruchung ausgesetzt sind (kann bei empfindlichen Zellen problematisch sein) |
Tabelle 1. Vorgeschlagene Vor- und Nachteile verschiedener 3D-Zellkulturmethoden. Entnommen und angepasst aus Breslin und O’Driscoll, 2013, „Drug Discovery Today“.
3D-Zellkultur: Vor- und Nachteile
[…] synthetische (beispielsweise aus Keramik oder Polymeren) oder natürliche Materialien wie extrazelluläre Komponenten und Hydrogele, um die Umgebung eines Organs sowohl mechanisch als auch […] nachzubilden