La trampa hidrodinámica basada en microfluídica facilita la captura utilizando únicamente la acción del flujo de fluidos y proporciona una alternativa viable a las técnicas existentes de confinamiento y manipulación basadas en campos de fuerza eléctrica, óptica, magnética o acústica, por ejemplo. En esta revisión, describimos varios métodos y técnicas utilizados en la captura de esferoides y single-cell en microfluídica.
Procesos de captura de single-cell
Uno de los métodos más sólidos para analizar poblaciones de células individuales con un rendimiento relativamente alto son las matrices de micrompocillos.
Sin embargo, un problema recurrente es que los cultivos en micrompocillos son estáticos. Esto limita su capacidad para manipular activamente las células atrapadas, por ejemplo, para cambiar el medio o controlar la exposición de las células a estímulos mitogénicos. Por otro lado, las válvulas microfluídicas, las pinzas ópticas, la dielectroforesis (DEP) y las ondas acústicas, que se pueden integrar fácilmente con dispositivos microfluídicos, permiten enfoques más potentes para atrapar y manipular células individuales.
En esta revisión, hemos optado por basarnos en el estudio de Koben et al. de 2018, en el que pudieron evaluar la fuerza de atrapamiento en función de diferentes diseños de chips. En su estudio, Koben et al. presentan un dispositivo microfluídico capaz de atrapar una sola célula mediante una red de trampas cuya longitud del canal principal puede ser de 1, 2 o 4 mm con 64 trampas en paralelo y de 3 a 10 trampas en serie, respectivamente. Cada chip cuenta entonces con dos entradas, una para la infusión del medio y otra para la carga de células.
En la práctica, el chip se cebó primero con medio de cultivo celular completo a un caudal de 25 ml/min y las células se inyectaron a través de la entrada auxiliar. Tras cerrar la entrada de células con un tapón, el chip se colocó en un microscopio invertido, se infusionó a un caudal de 20 nl/min y se cuantificó la proporción entre trampas exitosas y no exitosas. Para analizar un número suficientemente grande de eventos de captura para el análisis estadístico, las células ya atrapadas se retiraron de las trampas invirtiendo la dirección del flujo durante unos 1,5 a 2 segundos y reiniciando la infusión.
Se diseñó otro dispositivo inteligente para permitir la carga de una muestra de sangre total (fig. 1 B). Consta de una entrada de sangre total, una entrada de búfer y una región de bifurcación que conduce a tres áreas de colección de componentes sanguíneos: un área de plasma, un área de glóbulos rojos (RBC) y un área de glóbulos blancos (WBC). El mecanismo de separación de los glóbulos rojos y blancos se basa en la ley de bifurcación y el método de flujo cruzado (salino). La región de bifurcación contiene seis canales laterales llenos de perlas, cuatro canales laterales estrechos y un canal principal para la extracción de plasma, la extracción de glóbulos rojos y el atrapamiento de glóbulos blancos, respectivamente. Para lograr un perfil de flujo uniforme en la región de bifurcación, todos los canales laterales se han inclinado 60 grados con respecto al canal principal.
Por lo general, los glóbulos rojos tienen un diámetro de 6,2-8,2 μm y un grosor de 2-2,5 μm, y los glóbulos blancos tienen un diámetro de 7-18 μm. Debido al empaquetamiento de las esferas de 10 μm en el canal lateral, el tamaño de poro efectivo es de 1,55 μm. Por lo tanto, todas las células sanguíneas pasarán a través de este y solo el plasma podrá circular en el área de plasma y ser recolectado.
Procesos de atrapamiento de esferoides
Microestructuras en forma de U
Las microestructuras en forma de U operan de forma temporal, mediante accionamiento neumático, o permanente dentro del dispositivo. Muchas de estas microestructuras en forma de U se suelen integrar conjuntamente. El diámetro de los esferoides depende del tamaño de la microestructura, mientras que la posición relativa de las mismas es fundamental para lograr un atrapamiento celular eficaz.
Además, es posible modular el tiempo de formación de los esferoides mediante el caudal. Sin embargo, los caudales elevados provocan que las células escapen de la trampa. Por otro lado, para mantener los esferoides dentro de las microestructuras, es necesario mantener el flujo y, con ello, la presión de estancamiento requerida.
Chips microfluídicos de formación de esferoides basados en micrompocillos (µSFC)
Por lo general, un µSFC basado en micrompocillos requiere un número determinado de micrompocillos y una red de microcanales para suministrar el medio de cultivo. Los microcanales deben diseñarse de manera que se evite el escape no deseado de esferoides de los micrompocillos. De forma experimental, se ha demostrado que aumentar la anchura del canal o disminuir su altura puede limitar dicho escape de esferoides.
Para igualar los caudales en varios microcanales, la resistencia al flujo debe ser la misma en todos ellos. Por lo tanto, si los canales tienen la misma anchura y altura, sus longitudes también deben ser iguales para cumplir este requisito. Los canales sinuosos, utilizados a menudo en los generadores de gradientes de concentración (CGG) como canales de mezcla, son adecuados para ajustar la precisión de la longitud del canal en un área pequeña del chip. De este modo, estos canales se pueden aplicar para el control del flujo en lugar de incluir válvulas dentro de los chips microfluídicos. Los caudales deseados también deben tener en cuenta el número de células presentes en el entorno de cultivo y sus necesidades correspondientes de oxígeno, nutrientes y otros factores.
Existen numerosos dispositivos que se pueden utilizar para atrapar células organizadas denominadas esferoides u organoides. En la figura 3 presentamos algunos de estos dispositivos.
