Как ведут себя жидкости в искусственных клетках?

Искусственные органы могут помочь как для спасения жизней на операционном столе, так и для экспериментов в лабораториях — лекарства лучше тестировать на приближенных к реальности моделях, а не на живых людях. Чтобы создавать искусственные органы, учёным сначала нужно научиться строить ткани и клетки. В этом может помочь клеточная жидкостная флюидика — метод, который позволяет создавать объёмные структуры, похожие на настоящие ткани, и моделировать движение жидкости в них. Например, недавно учёные из Ливерморской национальной лаборатории имени Э. Лоуренса (LLNL) Калифорнийского университета воспроизвели движение воды по корням и стволу дерева. Что такое микрофлюидика и как она помогает моделировать процессы, происходящие в живом организме? Объясняем в карточках.

Что такое микрофлюидика?

Микрофлюидика — наука, которая изучает жидкости или газы в очень малых объёмах. Жидкость в объёме нескольких микро- или нанолитров ведёт себя не так, как целое ведро той же самой жидкости. На микроуровне проявляются необычные эффекты, как, например, капиллярность — движение жидкости по тонким трубкам. Микрофлюидика возникла с развитием нанотехнологий, и сейчас находится на стыке физики, гидравлики, динамики, химии, биологии и инженерии. 

Микрофлюидика — не только наука, но и технология. Благодаря ей можно создавать «лаборатории-на-чипе». Сеть микроканалов создаётся прямо в материале подложки электронного устройства — в кремнии или полимере. Такие микрофлюидные устройства размером в несколько квадратных миллиметров позволяют проводить экспресс-анализы и иногда заменяют целые лаборатории. 


Как выглядели первые микрофлюидные девайсы?

Первыми микрофлюидными устройствами были обычные струйные принтеры. В таких принтерах используются очень маленькие капиллярные трубочки, по которым поступают чернила для печати. Они появились в 1950-х годах — тогда же были изобретены и первые кремниевые транзисторы (полупроводниковые устройства, управляющие электрическим током в цепи).

В 1970-х годах на кремниевой пластине был реализован миниатюрный газовый хроматограф — устройство, которое анализирует газы, разделяя их на компоненты. А уже к концу 80-х были представлены первые микроклапаны и микронасосы, основанные на микрообработке кремния. Все эти устройства — первые микрофлюидные системы, которые стали прототипами лабораторий-на-чипе (миниатюрные приборы, позволяющие осуществлять многостадийные биохимические процессы на одном чипе и использующие микро- или наноскопические количества образцов для пробоподготовки и проведения реакций).


Из чего делают лаборатории-на-чипе?

Первые микрофлюидные устройства изготавливались из кремния и стекла. Однако у этих материалов были некоторые проблемы. Кремний, во-первых, достаточно дорогой, во-вторых — непрозрачный, что не позволяет наблюдать за системой через оптический микроскоп. Кроме того, и кремний, и стекло имеют низкую газопроницаемость, что делает их непригодными для микрофлюидики, применяемой в биологии. В 1990-х годах группа Джорджа Уайтсайдса из Гарвардского университета придумала новый полимерный материал для микрофлюидной электроники. Они представили концепцию недорогих микрофлюидных устройств с использованием полидиметилсилоксана, известного как PDMS, в качестве нового материала для быстрого прототипирования микрочипов.

Одно из основных преимуществ PDMS по сравнению с традиционными материалами — это биосовместимость с разными типами клеток. Это открыло широкие возможности для использования микрофлюидики в экспериментах с клетками. В конце 1990-х годов были созданы микрофлюидные устройства для сортировки или формирования паттерна клеток и белков, создания биосенсоров на основе клеток, исследования сокультивируемых клеток. Научная группа Альберта Фолча смогла выборочно сформировать паттерн клеток и сокультивируемых клеток на каналах из PDMS с использованием коллагена и фибронектина в качестве матриц. Этот метод позволяет создавать структуры из биомолекул и клеток разных типов в условиях, приближенных к условиям в живом организме.

Вскоре исследователи начали работать над микрофлюидными устройствами, которые можно было бы использовать в качестве моделей тканей и органов. Такие модели можно использовать вместо настоящих органов во время разработки лекарств, а также изучения различных биологических процессов. Модели тканей и органов позволяют преодолеть ограничения классических in vitro и in vivo тестов. С развитием технологии «орган-на-чипе» было предложено множество встроенных в чип моделей тканей различных органов человека, например, кишечника, легких, печени.


Чем примечателен новый метод клеточной флюидики? 

Применение существующих микрофлюидных устройств ограничено в условиях многофазных потоков — например, если в потоке текут одновременно жидкость и газ. Такие условия более приближены к реально происходящим процессам в живых системах. Возможное решение данной проблемы — технология клеточной флюидики. 

Клеточная флюидика — 3D-структура на основе элементарных ячеек, похожих на клетки, полученная с помощью новых методов 3D-печати. В подобной структуре можно точно управлять многофазными потоками и реакционными процессами с помощью архитектурного дизайна ячеек, регулируя их тип, размер и относительную плотность.


Что получается моделировать таким способом? 

С помощью клеточной флюидики ученым из Ливерморской национальной лаборатории имени Э. Лоуренса (LLNL) удалось продемонстрировать два многофазных процесса переноса газа и жидкости: транспирацию — движение воды по стеблям растения и ее испарение, например, через листья, и абсорбцию — процесс, при котором жидкость поглощает в себя газы. 

Для демонстрации транспирации ученые изготовили древовидную структуру из открытых для испарения воды ячеек тетраэдрической формы. «Дерево» погрузили в герметичный резервуар с водой. Со временем уровень жидкости в резервуаре падал, поскольку, подобно настоящему растению, «корни дерева» поглощали жидкость, которая поднималась вверх по «стволу» и испарялась через открытые ячейки. 

Этот эксперимент показал, что можно проектировать разветвлённые структуры, в которых жидкость непрерывно распределяется, а границы раздела фаз воздух-жидкость открыты. Подобные разветвленные клеточные флюидные устройства в будущем могут быть адаптированы для моделирования сложных биологических систем, например, при изготовлении искусственных органов.

мнения

Никто не комментировал

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий