Umwälzung für die Zellkultur in der Mikrofluidik

Mikrofluidik-Chips können eine biomimetische Umgebung für die Zell- und Gewebekultur bieten, wobei wesentliche Aspekte des biologischen Systems erhalten bleiben und gleichzeitig nachgelagerte Analysen integriert werden. Es ist sogar möglich, noch einen Schritt weiter zu gehen, indem eine kontinuierliche Nährstoffversorgung durch Rezirkulation des Mediums integriert wird. In diesem Tutorial stellen wir die verschiedenen Rezirkulationstechniken vor und erläutern, welche Möglichkeiten es gibt, diese umzusetzen.

Kurz gesagt wird die Rezirkulation in der Regel dadurch erreicht, dass das aus dem Auslass austretende Eluent mithilfe einer Peristaltikpumpe in den Einlauftank zurückgeführt wird, sodass die Suspension das Gerät erneut durchlaufen kann.

Vorteile der Rezirkulation in der Zellkultur:

• Die Integration eines Rezirkulationssystems in ein mikrofluidisches System wird es uns ermöglichen, der Realität ein Stück näher zu kommen und die Resorption, Verteilung, den Metabolismus und die Ausscheidung von Wirkstoffen besser zu verstehen. Tatsächlich wird jedes Organ, jedes Gewebe und jede Zelle des menschlichen Körpers kontinuierlich durch Körperflüssigkeiten durchströmt, sei es in einem offenen Kreislauf (Speichel, Magensaft, Urin …) oder in einem geschlossenen Kreislauf (Blut, Lymphe, Pleuraflüssigkeit …).
• Je nach Aufbau kann dadurch die Entsorgung der Abfälle entfallen, was die Leistungsfähigkeit des Experiments erheblich verbessern und wiederum die Realität nachbilden kann.
• Die Rezirkulationstechnik spart zudem Kulturmedium, das bei Primärzellen sehr teuer sein kann, und reichert das Medium mit zellulären Sekretionsfaktoren an. Es ist jedoch zu beachten, dass bei einem geschlossenen Kreislauf das Medium innerhalb des Chips mit CO₂ versorgt werden muss. Dies kann entweder durch die Verwendung eines gasdurchlässigen Materials oder – für kurze Zeiträume (etwa 2 Stunden) – durch ein CO₂-unabhängiges Medium erfolgen.

Umwälzung mit einer Peristaltikpumpe in der Zellkultur

Peristaltikpumpen finden in der Zellkultur breite Anwendung, da sie einfach zu bedienen und anzuschließen sind. Peristaltikpumpen können in einer Vielzahl von Situationen eingesetzt werden, in den meisten Fällen jedoch zur Zirkulation von Flüssigkeit durch einen Chip. Die Anzahl der Proben, die parallel infundiert werden können, liegt in der Regel zwischen 1 und 24, abhängig von der Anzahl der Kanäle am Pumpenkopf.

Peristaltikpumpen erzeugen per Definition einen pulsierenden Durchfluss. Die Frequenz und Amplitude der Schwingungen variieren von Pumpe zu Pumpe, abhängig von der Anzahl der Rollen, deren Drehzahl und dem Durchmesser des verwendeten Schlauchs ( tube ). Die meisten Peristaltikpumpen werden über eine Software gesteuert, mit der sich Protokolle wie periodische Injektionen oder einfache Durchflussschwankungen automatisieren lassen.

In den meisten Fällen sind alle Schläuche um einen Rotor gewickelt und liefern daher in jedem Chip die gleiche Durchflussrate, was für manche Studien einschränkend sein kann. Es kommen jedoch neue Modelle auf den Markt, mit denen mehrere Proben gleichzeitig und unabhängig voneinander infundiert werden können. Heutzutage verlängern spezielle „ tube “-Formulierungen für Peristaltikpumpen deren Lebensdauer erheblich und gewährleisten eine gute und reproduzierbare Leistung.

Eine Medienrückführung ist auch mit einer miniaturisierten On-Chip-Peristaltikpumpe möglich, die auf pneumatisch gesteuerten Mikrokanälen basiert; darüber berichteten Balagadd´e et al. [Balagadd´e et al., Science 2005].