Recirculatie voor celkweek in microfluïdica

Microfluïdische chips kunnen een biomimetische omgeving bieden voor cel- en weefselkweek, waarbij essentiële aspecten van het biologische systeem behouden blijven en tegelijkertijd verdere analyse wordt geïntegreerd. Het is zelfs mogelijk om nog een stap verder te gaan door een continue toevoer van voedingsstoffen te integreren via recirculatie van het medium. In deze tutorial zullen we de verschillende recirculatietechnieken bespreken en uitleggen op welke manieren deze kunnen worden gerealiseerd.

Kort gezegd wordt recirculatie meestal bereikt door middel van een peristaltische pomp, waarmee het uitstroomende eluent naar de inlaattank wordt teruggevoerd, zodat de suspensie opnieuw door het apparaat kan stromen.

Voordelen van recirculatie bij celcultuur:

• Door recirculatie in een microfluïdisch apparaat te integreren, kunnen we een stapje dichter bij de werkelijkheid komen en krijgen we meer inzicht in de opname, distributie, het metabolisme en de eliminatie van geneesmiddelen. Elk orgaan, weefsel of elke cel van het menselijk lichaam wordt immers voortdurend door lichaamsvloeistoffen doorstroomd, of dit nu in een open circuit gebeurt (speeksel, maagsap, urine…) of in een gesloten circuit (bloed, lymfe, pleuravocht…).
• Afhankelijk van de opstelling kan dit ervoor zorgen dat het afval wordt geëlimineerd, wat de prestaties van het experiment aanzienlijk kan verbeteren en, nogmaals, de werkelijkheid nabootst.
• De recirculatietechniek bespaart bovendien kweekmedium, dat voor primaire cellen erg duur kan zijn, en verrijkt het medium met door cellen afgescheiden factoren. Er moet echter worden opgemerkt dat bij gesloten circulatie het medium binnen de chip van CO₂ moet worden voorzien. Dit kan worden gerealiseerd door gebruik te maken van een gasdoorlatend materiaal of, voor korte periodes (ongeveer 2 uur), door een CO₂-onafhankelijk medium te gebruiken.

Recirculatie met een peristaltische pomp in celcultuur

Peristaltische pompen worden veel gebruikt in de celkweek, omdat ze gebruiksvriendelijk zijn en eenvoudig aan te sluiten. Peristaltische pompen kunnen in allerlei situaties worden ingezet, maar worden in de meeste gevallen gebruikt om vloeistof door een chip te laten circuleren. Het aantal monsters dat tegelijkertijd kan worden toegediend, varieert doorgaans van 1 tot 24, afhankelijk van het aantal kanalen op de pompkop.

Peristaltische pompen zorgen per definitie voor een pulserende stroming. De frequentie en amplitude van de trillingen variëren van pomp tot pomp, afhankelijk van het aantal rollen, hun rotatiesnelheid en de diameter van de gebruikte tube . De meeste peristaltische pompen worden aangestuurd door software waarmee protocollen zoals periodieke injecties of eenvoudige stromingsvariaties kunnen worden geautomatiseerd.

In de meeste gevallen zijn alle slangen rond een rotor gewikkeld en zorgen ze daardoor voor hetzelfde debiet in elke chip, wat voor sommige onderzoeken een beperking kan vormen. Er komen echter nieuwe modellen op de markt waarmee meerdere monsters tegelijkertijd en onafhankelijk van elkaar kunnen worden toegediend. Tegenwoordig zorgen specifieke tube formuleringen voor peristaltische pompen ervoor dat de levensduur aanzienlijk wordt verlengd, waardoor goede en reproduceerbare prestaties worden gegarandeerd.

Recirculatie van het medium is ook mogelijk met een geminiaturiseerde peristaltische pomp op de chip, gebaseerd op pneumatisch gestuurde microkanalen, zoals beschreven door Balagadd´e et al. [Balagadd´e et al., Science 2005].