Rezirkulation für die Zellkultur in der Mikrofluidik

Mikrofluidische Chips können eine biomimetische Umgebung für die Zell- und Gewebekultur bereitstellen, wobei wichtige Aspekte des biologischen Systems erhalten bleiben und gleichzeitig nachgeschaltete Analysen integriert werden. Es ist sogar möglich, noch einen Schritt weiter zu gehen und durch die Rezirkulation des Mediums eine kontinuierliche Nährstoffversorgung zu integrieren. In diesem Tutorial stellen wir die verschiedenen Rezirkulationsverfahren und die Möglichkeiten zu deren Umsetzung vor.

Kurz gesagt wird die Rezirkulation in der Regel durch den Einsatz einer Schlauchpumpe erreicht, um das austretende Eluat in den Einlasstank zurückzuführen, damit die Suspension das Gerät erneut passieren kann.

Vorteile der Rezirkulation in der Zellkultur:

• Die Integration der Rezirkulation in ein mikrofluidisches Gerät bringt uns der Realität ein Stück näher und trägt zum Verständnis der Resorption, Verteilung, des Metabolismus und der Elimination von Wirkstoffen bei. Tatsächlich wird jedes Organ, jedes Gewebe und jede Zelle des menschlichen Körpers kontinuierlich durch Körperflüssigkeiten versorgt, sei es in einem offenen Kreislauf (Speichel, Magensaft, Urin…) oder in einem geschlossenen Kreislauf (Blut, Lymphe, Pleurablut…).
• Je nach Aufbau kann dies die Elimination von Abfallstoffen ermöglichen, was die Leistung des Experiments erheblich verbessern und wiederum die Realität nachbilden kann.
• Die Rezirkulationsstechnik spart zudem Nährboden, welcher für Primärzellen sehr teuer sein kann, und reichert das Medium mit zellulären Sekretionsfaktoren an. Dennoch ist zu beachten, dass ein geschlossener Kreislauf erfordert, dass das Medium im Inneren des Chips mit CO2 versorgt wird. Dies kann entweder durch ein gaspermeables Material oder für kurze Zeiträume (ca. 2 Stunden) durch ein CO2-unabhängiges Medium erfolgen.

Rezirkulation mit einer Schlauchpumpe in der Zellkultur

Schlauchpumpen sind in der Zellkultur weit verbreitet, da sie einfach zu bedienen und anzuschließen sind. Schlauchpumpen können in einer Vielzahl von Situationen eingesetzt werden, in den meisten Fällen jedoch zur Rezirkulation von Flüssigkeiten 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 auf dem Pumpenkopf.

Per Definition erzeugen Schlauchpumpen einen pulsierenden Fluss. Frequenz und Amplitude der Oszillationen variieren von Pumpe zu Pumpe in Abhängigkeit von der Anzahl der Rollen, deren Drehzahl und dem Durchmesser des verwendeten tube. Die meisten Schlauchpumpen werden über eine Software gesteuert, die die Automatisierung von Protokollen wie periodischer Injektion oder einfachen Durchflussänderungen ermöglicht.

In den meisten Fällen sind alle tube um einen Rotor gewickelt und liefern daher in jedem Chip dieselbe Durchflussrate, was für einige Studien einschränkend sein kann. Es kommen jedoch neue Modelle auf den Markt, die es ermöglichen, mehrere Proben gleichzeitig unabhängig voneinander zu infundieren. Spezifische tube-Formulierungen für Schlauchpumpen erhöhen heute deren Lebensdauer erheblich und gewährleisten gute sowie reproduzierbare Leistungen.

Eine Medienrezirkulation ist auch mit einer miniaturisierten On-Chip-Schlauchpumpe auf Basis pneumatisch gesteuerter Mikrokanäle möglich, wie von Balagaddé et al. [Balagaddé et al., Science 2005] berichtet wurde.