RU2584598C1 - Microfluid chip for creation of mammalian organ cell models - Google Patents
Microfluid chip for creation of mammalian organ cell models Download PDFInfo
- Publication number
- RU2584598C1 RU2584598C1 RU2015110884/10A RU2015110884A RU2584598C1 RU 2584598 C1 RU2584598 C1 RU 2584598C1 RU 2015110884/10 A RU2015110884/10 A RU 2015110884/10A RU 2015110884 A RU2015110884 A RU 2015110884A RU 2584598 C1 RU2584598 C1 RU 2584598C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- cell
- channels
- model
- microfluidic chip
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M3/00—Tissue, human, animal or plant cell, or virus culture apparatus
- C12M3/02—Tissue, human, animal or plant cell, or virus culture apparatus with means providing suspensions
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к устройствам для работы с клетками тканей, человека, животных или растений и (или) культурами вирусов и может быть, в частности, использовано для испытаний лекарственных препаратов, создания клеточных моделей тканей и органов млекопитающих и моделирования межорганных взаимодействий.The invention relates to devices for working with cells of tissues, humans, animals or plants and (or) cultures of viruses and can be, in particular, used for testing drugs, creating cell models of tissues and organs of mammals and modeling interorgan interactions.
Уровень техникиState of the art
Для доклинических испытаний лекарства в настоящее время используются модели in vitro, а также животные модели. Например, для определения эффективности и токсичности онкологических препаратов, в первую очередь оценивается действие вещества на многочисленные раковые клеточные линии [Paull K.D. et al. Display and analysis of patterns of differential activity of drugs against human tumor cell lines: development of mean graph and COMPARE algorithm. // Journal Of The National Cancer Institute. 1989. Vol. 81, №14. P. 1088-1092.1]; затем на иммортализованные клеточные линии, выведенные из здоровых тканей, на которых тестируется токсичность соединения.In vitro and animal models are currently used for preclinical trials of the drug. For example, to determine the effectiveness and toxicity of cancer drugs, the effect of a substance on numerous cancer cell lines is first evaluated [Paull K.D. et al. Display and analysis of patterns of differential activity of drugs against human tumor cell lines: development of mean graph and COMPARE algorithm. // Journal Of The National Cancer Institute. 1989. Vol. 81, No. 14. P. 1088-1092.1]; then to immortalized cell lines derived from healthy tissues on which the toxicity of the compound is tested.
Процесс разработки лекарства обычно начинается с высокопроизводительного скрининга соединений для выделения из них эффективных кандидатов. Традиционные тест-системы, такие как клеточные культуры in vitro, дают первичные представления об эффективности и токсичности вещества, которые требуют дальнейшего тестирования на животных моделях. В идентификации мишеней для лекарственных препаратов задействованы такие научные области, как геномика, протеомика и комбинаторная химия. Рост числа синтезируемых соединений требует более быстрого и эффективного скрининга, чем позволяют традиционные тесты.The drug development process usually begins with high throughput screening of compounds to isolate effective candidates from them. Traditional test systems, such as in vitro cell cultures, provide primary insights into the efficacy and toxicity of a substance, which require further testing in animal models. In the identification of targets for drugs, such scientific fields as genomics, proteomics and combinatorial chemistry are involved. An increase in the number of synthesized compounds requires faster and more effective screening than traditional tests allow.
Кроме того, традиционные тест-системы, например, основанные на культивировании клеточных моделей в планшетах, не воссоздают реалистичной картины микроокружения, в котором находятся клетки в теле человека, играющего важную роль в процессах адсорбции, распределения, метаболизма и экскреции препарата (принцип ADME [Esch М.В., King T.L., Shuler M.L. The role of body-on-a-chip devices in drug and toxicity studies. // Annual review of biomedical engineering. 2011. Vol. 13. P. 55-72.; Sung J.H., Shuler M.L. A micro cell culture analog (microCCA) with 3-D hydrogel culture of multipleIn addition, traditional test systems, for example, based on the cultivation of cell models in tablets, do not recreate a realistic picture of the microenvironment in which cells are located in the human body, which plays an important role in the processes of adsorption, distribution, metabolism and excretion of the drug (ADME principle [Esch M.V., King TL, Shuler ML, The role of body-on-a-chip devices in drug and toxicity studies. // Annual review of biomedical engineering. 2011. Vol. 13. P. 55-72 .; Sung JH , Shuler ML A micro cell culture analog (microCCA) with 3-D hydrogel culture of multiple
cell lines to assess metabolism-dependent cytotoxicity of anti-cancer drugs. // Lab on a Chip. 2009. Vol. 9, №10. P. 1385-1394]), моделирование которых является необходимым условием достоверной оценки эффективности и токсичности препарата. Отличия в параметрах механических воздействий на клетки in vivo и in vitro также существенно влияют на воспроизведение в модели отклика организма на воздействие.cell lines to assess metabolism-dependent cytotoxicity of anti-cancer drugs. // Lab on a Chip. 2009. Vol. 9, No. 10. P. 1385-1394]), the modeling of which is a prerequisite for a reliable assessment of the effectiveness and toxicity of the drug. Differences in the parameters of mechanical effects on cells in vivo and in vitro also significantly affect the reproduction in the model of the body's response to exposure.
Следующей стадией после тестирования лекарства на клетках являются испытания на животных. Однако сравнение предсказанной и реальной эффективности лекарства свидетельствует о том, что оценка действия препарата на человека далеко не всегда возможна с помощью животных моделей [Johnson J.I. et al. Relationships between drug activity in NCI preclinical in vitro and in vivo models and early clinical trials // British Journal of Cancer. Nature Publishing Group, 2001. Vol. 84, №10. P. 1424-1431.; Paul S.M. et al. How to improve R&D productivity: the pharmaceutical industry's grand challenge. // Nature reviews. Drug discovery. 2010. Vol. 9, №3. P. 203-214]. Причинами такого несоответствия могут быть межвидовые различия в метаболизме, имплантированный характер опухоли, а также общая практика использования иммуномодифицированных животных. В связи с этим на сегодняшний день даже обширные доклинические испытания не гарантируют клинической эффективности и безопасности использования препарата. В то время, как клеточные культуры могут предоставить информацию о терапевтических эффектах определенного соединения на целевую ткань, но не на весь организм, данные, полученные на животных моделях, не всегда могут быть экстраполированы на человека.The next stage after testing the drug on the cells are animal tests. However, a comparison of the predicted and actual efficacy of the drug suggests that evaluating the effect of the drug on humans is far from always possible using animal models [Johnson J.I. et al. Relationships between drug activity in NCI preclinical in vitro and in vivo models and early clinical trials // British Journal of Cancer. Nature Publishing Group, 2001. Vol. 84, No. 10. P. 1424-1431 .; Paul S.M. et al. How to improve R&D productivity: the pharmaceutical industry's grand challenge. // Nature reviews. Drug discovery. 2010. Vol. 9, No. 3. P. 203-214]. The reasons for this discrepancy may be interspecies differences in metabolism, the implanted nature of the tumor, as well as the general practice of using immunomodified animals. In this regard, to date, even extensive preclinical trials do not guarantee the clinical effectiveness and safety of the drug. While cell cultures can provide information on the therapeutic effects of a particular compound on the target tissue, but not on the whole organism, the data obtained in animal models cannot always be extrapolated to humans.
Микробиореакторы, содержащие объединенные микрожидкостными каналами ячейки для одновременного культивирования нескольких клеточных моделей тканей, могут быть использованы для оптимизации процесса разработки лекарственных препаратов. Наиболее актуальной проблемой, приводящей к необходимости разработки таких моделей, на сегодняшний день является тот факт, что в актуальных процедурах скрининга препаратов клетки находятся в условиях, значительно отличающихся от реальных, и не выполняют своих нативных функций. Ток среды, взаимодействие между различными тканями и другие параметры, определяющие физиологический отклик организма, не воспроизводятся обычными моделями тканей. В частности, в макроскопических системах для культивирования клетки находятся на дне камеры и покрыты культуральной жидкостью, объем которой значительно превышает объем физиологических жидкостей, приходящихся на клетки того или иного органа в организме.Microbioreactors containing cells united by microfluidic channels for the simultaneous cultivation of several cellular tissue models can be used to optimize the process of drug development. The most urgent problem leading to the need to develop such models today is the fact that in actual procedures for screening drugs, cells are in conditions that are significantly different from real ones and do not fulfill their native functions. The current of the medium, the interaction between different tissues and other parameters that determine the physiological response of the body are not reproduced by ordinary tissue models. In particular, in macroscopic systems for culturing, the cells are located at the bottom of the chamber and are covered with a culture fluid, the volume of which significantly exceeds the volume of physiological fluids that are present on the cells of a particular organ in the body.
Микроскопические аналоги клеточных культур, воспроизводящие реальные соотношения между объемами различных тканей в организме и моделирующие взаимодействия между ними в условиях близкого к физиологическому тока жидкости (т.н. «человек на чипе»), представляют собой замену традиционным методам скрининга с использованием клеточных культур и доклиническим испытаниям на животных.Microscopic analogs of cell cultures that reproduce real relationships between the volumes of various tissues in the body and simulate interactions between them under conditions close to the physiological fluid flow (the so-called “man on a chip”) are a substitute for traditional screening methods using cell cultures and preclinical animal testing.
Вместе с тем на сегодняшний день не существует системы, в достаточной степени воспроизводящей все свойства человеческого организма, валидность тестирования на которой была бы доказана экспериментально. Основной проблемой при разработке аутентичных in vitro моделей остается воссоздание взаимодействия между различными органами в организме, как в физиологических условиях, так и в случае заболеваний. В связи с этим затруднена и оценка воздействия химического препарата на те или иные органы, что приводит к невозможности исследования комплексного результата применения препарата и эффективности лечения.However, to date, there is no system that sufficiently reproduces all the properties of the human body, the validity of testing on which would be proved experimentally. The main problem in developing authentic in vitro models remains the recreation of the interaction between various organs in the body, both in physiological conditions and in the case of diseases. In this regard, it is also difficult to assess the effect of a chemical preparation on these or other organs, which makes it impossible to study the complex result of the use of the drug and the effectiveness of treatment.
Наиболее близким заявляемому решению является устройство, представленное в материалах заявки US 2012/0214189 А1, представляющее собой микрофлюидный чип для культивирования клеточных моделей, имеющий сходную геометрию расположения микрожидкостных каналов. Устройство чипа включает четыре ячейки: ячейку «печени» для моделирования органа, ответственного за трансформацию ксенобиотиков, ячейку «легкого», представляющую собой «целевую» ткань, ячейку «жира» для моделирования биоаккумуляции гидрофобных соединений, и ячейки «других тканей», несущие вспомогательную функцию для моделирования циркуляции через неметаболизирующие и неаккумулирующие ткани. При этом ячейка «легкого» подключена ко входу чипа, а ячейки «печени», «жира» и «других тканей» соединены параллельно и подключены между ячейкой «легкого» и выходом чипа.The closest to the claimed solution is the device presented in the materials of the application US 2012/0214189 A1, which is a microfluidic chip for the cultivation of cell models, having a similar geometry of the arrangement of microfluidic channels. The chip device includes four cells: a “liver” cell for modeling the organ responsible for the transformation of xenobiotics, a “lung” cell representing the “target” tissue, a “fat” cell for modeling the bioaccumulation of hydrophobic compounds, and “other tissue” cells carrying auxiliary function to simulate circulation through non-metabolizing and non-accumulating tissues. In this case, the “lung” cell is connected to the input of the chip, and the cells of the “liver”, “fat” and “other tissues” are connected in parallel and connected between the “lung” cell and the output of the chip.
Недостатком данного устройства является игнорирование в модели анатомии и физиологии органов брюшной полости, что может привести к недостоверным результатам моделирования фармакокинетики ксенобиотиков. В частности при моделирования перорального введения, при котором в большинстве случаев всасывание происходит в кишечнике, ксенобиотик попадает на выход чипа, минуя печень. Тогда как в человеческом организме вся венозная кровь из кишечника фильтруется печенью.The disadvantage of this device is the neglect in the model of anatomy and physiology of the abdominal organs, which can lead to unreliable results of modeling the pharmacokinetics of xenobiotics. In particular, when modeling oral administration, in which in most cases absorption occurs in the intestine, the xenobiotic enters the output of the chip bypassing the liver. Whereas in the human body all venous blood from the intestine is filtered by the liver.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является воспроизведение в микрофлюидном чипе с несколькими клеточными моделями органов ключевых физиологических параметров взаимодействия основных органов человека.The problem to which the invention is directed is to reproduce in a microfluidic chip with several cellular models of organs the key physiological parameters of the interaction of the main human organs.
Получаемый технический результат может быть выражен в более аутентичном поведении клеточных моделей органов при культивировании в микробиореакторе и, следовательно, приводит к получению более достоверных результатов при тестировании воздействия различных препаратов на жизнеспособность моделей с учетом их метаболического взаимодействия в процессе циркуляции среды по сравнению с микробиореакторами, не учитывающими этих особенностей за счет использования заявляемого дизайна микрофлюидного чипа с подобранной геометрии ячеек и соединяющих их каналов.The technical result obtained can be expressed in a more authentic behavior of cellular models of organs when cultured in a microbioreactor and, therefore, leads to more reliable results when testing the effects of various drugs on the viability of models, taking into account their metabolic interaction in the process of medium circulation compared to microbioreactors, not taking into account these features through the use of the inventive microfluidic chip design with selected cell and connection geometry sculpt their channels.
Указанный технический результат может быть получен при культивировании клеточных моделей органов человека в микрофлюидном чипе, объединяющем их общим током жидкости, моделирующей систему кровообращения для обеспечения метаболического взаимодействия между клеточными моделями. Для наиболее точного воссоздания физиологических параметров, таких как соотношение объемов органов, скорость тока жидкости, соотношение объема жидкой питательной среды и клеток, концентрации растворенных газов, а также для снижения общего количества необходимых реагентов и биологического материала и повышения производительности исследований, устройство должно обладать гидродинамическими характеристиками ячеек и каналов, соотношение которых рассчитано, исходя из реальных размеров органов и тканей, а также гемодинамики организма человека.The specified technical result can be obtained by culturing cell models of human organs in a microfluidic chip, combining them with a common fluid flow, simulating the circulatory system to ensure metabolic interaction between cell models. For the most accurate reconstruction of physiological parameters, such as the ratio of the volumes of organs, the flow rate of the fluid, the ratio of the volume of the liquid nutrient medium and cells, the concentration of dissolved gases, as well as to reduce the total number of necessary reagents and biological material and increase the productivity of research, the device must have hydrodynamic characteristics cells and channels, the ratio of which is calculated based on the actual size of organs and tissues, as well as the hemodynamics of the body skill.
Поставленная задача решается тем, что микрофлюидный чип (микробиореактор) для создания клеточных моделей органов млекопитающих содержит объединенные системой микрожидкостных каналов, по крайней мере, шесть ячеек для одновременного культивирования клеточных моделей тканей и органов млекопитающих в проточном или замкнутом режимах, две из которых, предназначены для моделей кишечника и печени млекопитающего, а оставшиеся, по крайней мере, четыре ячейки - являются типовыми, при этом система каналов включает входной и выходной каналы микрофлюидного чипа, входной и выходной каналы ячейки модели кишечника, последний из которых соединен с входным каналом ячейки модели печени, по крайней мере, четыре распределительных канала, расположенных со стороны входа в типовые ячейки, по крайней мере, четыре смесительных канала, расположенных со стороны выхода из типовых ячеек, и байпасный канал для ячейки модели кишечника, при этом по два из четырех распределительных и смесительных канала обеспечивают парное соединение типовых ячеек с образованием двух замкнутых контуров, которые со стороны входа параллельно подключены к входному каналу через оставшиеся третий и четвертый распределительные каналы, со стороны выхода через оставшиеся третий и четвертый смесительные каналы подключены к выходному каналу, при этом выходной канал ячейки модели печени переходит в четвертый смесительный канал, а четвертый распределительный канал имеет две ветви, первая из которых, предназначенная для соединения с третьим распределительным каналом, имеет общую протяженность l, вторая ветвь - для соединения с входным каналом модели кишечника и байпасным каналом, выполнена с участком увеличения гидродинамического сопротивления подаваемой среды и имеет общую протяженность 15÷16l.The problem is solved in that the microfluidic chip (microbioreactor) for creating cellular models of mammalian organs contains at least six cells united by a system of microfluidic channels for simultaneously cultivating cellular models of tissues and organs of mammals in flow or closed modes, two of which are designed for models of the intestines and liver of the mammal, and the remaining at least four cells are typical, while the channel system includes the input and output channels of the micro a human chip, the input and output channels of the intestinal model cell, the last of which is connected to the input channel of the liver model cell, at least four distribution channels located on the input side of the typical cell, at least four mixing channels located on the output side of typical cells, and a bypass channel for the cell model of the intestine, while two of the four distribution and mixing channels provide a pair of connection of typical cells with the formation of two closed loops, which The input orons are connected in parallel to the input channel through the remaining third and fourth distribution channels, from the output side, through the remaining third and fourth mixing channels, they are connected to the output channel, while the output channel of the liver model cell passes into the fourth mixing channel, and the fourth distribution channel has two branches , the first of which is designed to connect to the third distribution channel, has a total length l, the second branch - to connect to the input channel of the model intestine and a bypass channel portion is configured to increase the hydrodynamic resistance of the feed medium and has a total length of 15 ÷ 16l.
Наилучший результат достигается при выполнении микрофлюидного чипа, в котором центры типовых ячеек размещены на одной оси, при этом первые, вторые и третьи смесительные и распределительные каналы имеют симметричное расположение относительно упомянутой оси. Каналы, как правило, выполнены в слое полимерного оптически прозрачного материала (ПДМС) со стороны его нижней поверхности и загерметизированы предметным стеклом. Каналы выполнены, преимущественно, прямоугольного сечения с высотой, не превышающей 0.1 мм, и шириной не менее 0.4 мм. Участок увеличения гидродинамического сопротивления подаваемой среды может быть выполнен в виде змеевика, содержащего, по крайней мере, восемь U-образных элементов. Байпасный канал также может включать участок, выполненный в виде змеевика, содержащего, по крайней мере, один U-образный элемент. Участки байпасного канала со стороны входа и выхода могут быть выполнены с радиусным изгибом.The best result is achieved by performing a microfluidic chip in which the centers of typical cells are placed on one axis, while the first, second and third mixing and distribution channels have a symmetrical arrangement relative to the axis. The channels, as a rule, are made in a layer of a polymer optically transparent material (PDMS) from the side of its lower surface and are sealed with a glass slide. The channels are made mainly of rectangular cross section with a height not exceeding 0.1 mm and a width of at least 0.4 mm. The plot for increasing the hydrodynamic resistance of the feed medium can be made in the form of a coil containing at least eight U-shaped elements. The bypass channel may also include a section made in the form of a coil containing at least one U-shaped element. The sections of the bypass channel on the input and output sides can be made with a radius bend.
В одном из вариантов осуществления изобретения соединения входного канала микрофлюидного чипа с четвертым распределительным, четвертого распределительного с третьим распределительным, третьего распределительного с первым и вторым распределительными каналами, а также соединение выходного канала микрофлюидного чипа с четвертым смесительным, четвертого смесительного с третьим смесительным, третьего смесительного с первым и вторым смесительными каналами, выполнены Т-образными, а соединение байпасного канала с одной стороны с входным каналом модели кишечника и четвертым распределительным каналом, и с другой стороны - с выходным каналом модели кишечника и входным каналом модели печени выполнено Y-образным. При этом Т-образное соединение образовано тремя прямыми отрезками соответствующих каналов, соединенных под углами 90°, 90° и 180° касательными дугами с радиусами 0.4 мм с допустимой величиной отклонения от указанных параметров не более чем на 10%. Y-образное соединение образовано тремя прямыми отрезками соответствующих каналов, соединенных под углами 135°, 135° и 90° касательными дугами с радиусами 0.4 мм, при этом угол 90° составляет между байпасным каналом и входным и выходным каналами ячейки модели кишечника, соответственно, с допустимой величиной отклонения от указанных параметров не более чем на 10%.In one embodiment, the connection of the input channel of the microfluidic chip with the fourth distribution channel, the fourth distribution channel with the third distribution channel, the third distribution channel with the first and second distribution channels, as well as the connection of the output channel of the microfluidic chip with the fourth mixing channel, the fourth mixing channel with the third mixing channel, and the third mixing channel the first and second mixing channels are made T-shaped, and the connection of the bypass channel on the one hand with the input the channel of the intestinal model and the fourth distribution channel, and on the other hand, with the output channel of the intestinal model and the input channel of the liver model is made Y-shaped. In this case, the T-shaped connection is formed by three straight segments of the corresponding channels connected at angles of 90 °, 90 ° and 180 ° by tangent arcs with radii of 0.4 mm with an allowable deviation from these parameters by no more than 10%. The Y-shaped connection is formed by three straight segments of the corresponding channels, connected at angles of 135 °, 135 ° and 90 ° by tangent arcs with radii of 0.4 mm, while the angle of 90 ° is between the bypass channel and the input and output channels of the intestinal model cell, respectively, with permissible deviation from the specified parameters by no more than 10%.
В одном из вариантов осуществления изобретения каждая ячейка в проекции на плоскости образована двумя округлыми линиями с диаметром 4.2 мм, соединенными с каналами на входе и выходе из ячейки дугообразными линиями с радиусом кривизны 2.1 мм, с допустимой величиной отклонения от указанных параметров не более чем на 10%, при этом продольная ось каналов проходит через центр ячейки.In one embodiment of the invention, each cell in the projection on the plane is formed by two rounded lines with a diameter of 4.2 mm, connected to the channels at the entrance and exit of the cell by arched lines with a radius of curvature of 2.1 mm, with an allowable deviation from these parameters by no more than 10 %, while the longitudinal axis of the channels passes through the center of the cell.
Байпасный канал имеет геометрические размеры и форму, обеспечивающие поступление в ячейку модели печени всей жидкости из ячейки модели кишечника и части жидкости, не прошедшей через ячейку модели кишечника, с соотношением 3:1 соответственно. Четвертый распределительный канал имеет геометрические размеры и форму, обеспечивающие получение соотношения объемного расхода жидкости между первой и второй его ветвями 5:1.The bypass channel has a geometric size and shape that ensures that all fluid from the cell of the intestinal model and part of the fluid that has not passed through the cell of the intestinal model enters the cell of the liver model with a ratio of 3: 1, respectively. The fourth distribution channel has a geometric size and shape, providing a ratio of the volumetric flow rate of fluid between its first and second branches 5: 1.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении выполняется соотношение объемных расходов культуральной жидкости 1:5 между фрагментом, содержащим ячейки модели печени и модели кишечника, и ячейками моделей прочих органов, соответственно, тем самым воспроизводя аналогичное соотношение человеческого организма. Также выполняется соотношение 1:3 между поступающей в ячейку модели печени «свежей» культуральной жидкостью и культуральной жидкостью, поступающей из ячейки модели кишечника, чем моделируются общая печеночная артерия и воротная вена.Thus, in the proposed technical solution, the volumetric flow rate of the culture fluid is 1: 5 between the fragment containing the cells of the liver model and the model of the intestine and the cells of the models of other organs, respectively, thereby reproducing a similar ratio of the human body. A 1: 3 ratio is also maintained between the “fresh” culture fluid entering the cell of the liver model and the culture fluid coming from the cell of the intestinal model, which simulates the common hepatic artery and portal vein.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено схематичное изображение заявляемого устройства - вид сбоку и под ним разрез слоя полидиметилсилоксана, в котором размещена микрофлюидная система.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a schematic representation of the claimed device is a side view and below it a section of a layer of polydimethylsiloxane, in which the microfluidic system is placed.
На фиг. 2 представлены Т-образное и Y-образное соединения, а также U-образный элемент.In FIG. 2 shows the T-shaped and Y-shaped compounds, as well as the U-shaped element.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - пластина из поликарбоната, 2 - слой полидиметилсилоксана, 3 - предметное стекло, 4 - пробка, 5 - ячейка модели кишечника, 6 - ячейка модели печени, 7 - ячейка типовой модели, 8 - фитинг, 9 - входное отверстие в слое полидиметилсилоксана, 10 - выходное отверстие в слое полидиметилсилоксана, 11 - входной канал микрофлюидного чипа, 12 - выходной канал микрофлюидного чипа, 13 - байпасный канал, 14 - первый распределительный канал, 15 - второй распределительный канал, 16 - первый смесительный канал, 17 - второй смесительный канал, 18 - третий распределительный канал, 19 - третий смесительный канал, 20 - Т-образное соединение, 21 - U-образный элемент, 22 - четвертый смесительный канал, 23 - участок увеличения гидравлического сопротивления, 24 - Y-образное соединение, 25 - первая ветвь четвертого распределительного канала, 26 - вторая ветвь четвертого распределительного канала, 27 - входной канал ячейки кишечника, 28 - выходной канал ячейки кишечника, 29 - входной канал ячейки печени.The positions in the drawings indicate: 1 - a plate of polycarbonate, 2 - a layer of polydimethylsiloxane, 3 - a glass slide, 4 - a cork, 5 - a cell model of the intestine, 6 - a cell model of the liver, 7 - a cell of the model model, 8 - fitting, 9 - input a hole in the polydimethylsiloxane layer, 10 is an outlet in the polydimethylsiloxane layer, 11 is the input channel of the microfluidic chip, 12 is the output channel of the microfluidic chip, 13 is the bypass channel, 14 is the first distribution channel, 15 is the second distribution channel, 16 is the first mixing channel, 17 - second mixing channel, 18 - t there is a distribution channel, 19 - the third mixing channel, 20 - the T-shaped connection, 21 - the U-shaped element, 22 - the fourth mixing channel, 23 - the section of increase in hydraulic resistance, 24 - the Y-shaped connection, 25 - the first branch of the fourth distribution channel, 26 - the second branch of the fourth distribution channel, 27 - the input channel of the intestinal cell, 28 - the output channel of the intestinal cell, 29 - the input channel of the liver cell.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Конструкция микрофлюидного чипа (микробиореактора) основана на трехслойной структуре, верхний слой которой образован пластиной (поз.1), выполненной из поликарбоната толщиной 10 мм, на которой отлит слой полидиметилсилоксана (ПДМС) (поз. 2), содержащий систему микрофлюидных каналов прямоугольного сечения (например, с высотой 0.1 мм и шириной 0.4 мм) и ячейки, герметизированные снизу слоем, образованным стандартным предметным стеклом (поз. 3). Применение каналов постоянного сечения позволило обеспечить приемлемую технологичность формы для литья слоя ПДМС.The design of the microfluidic chip (microbioreactor) is based on a three-layer structure, the top layer of which is formed by a plate (item 1) made of 10 mm thick polycarbonate, on which a layer of polydimethylsiloxane (PDMS) is cast (item 2), containing a rectangular microfluidic channel system ( for example, with a height of 0.1 mm and a width of 0.4 mm) and cells sealed from below with a layer formed by a standard slide (item 3). The use of channels of constant cross-section made it possible to provide an acceptable manufacturability of the mold for casting a PDMS layer.
Микрофлюидный чип содержит в себе объединенные микрофлюидными каналами, по крайней мере, шесть идентичных ячеек, предназначенных для одновременного сокультивирования размещенных в них клеточных моделей органов и тканей человека в проточном или замкнутом режимах. Модели могут быть представлены сфероидами или мембранной вставкой (например Трансвел). Ячейки сверху герметизированы пробками (поз. 4), закрепленными в пластине из поликарбоната с помощью резьбового соединения.The microfluidic chip contains at least six identical cells combined by microfluidic channels, designed for simultaneous co-cultivation of the cellular models of human organs and tissues located in them in flowing or closed modes. Models can be represented by spheroids or a membrane insert (e.g., Transvel). The cells on top are sealed with plugs (item 4), fixed in a polycarbonate plate using a threaded connection.
Каждая ячейка в плоскости каналов представляет собой окружность, например, с диаметром 4.2 мм, к которой симметрично относительно центра подключены входной и выходной каналы. С целью устранения неоднородностей и обеспечения более равномерного распределения поля скоростей по площади ячейки, каналы сопряжены с окружностью ячейки дугами, например, с радиусом 2.1 мм.Each cell in the plane of the channels is a circle, for example, with a diameter of 4.2 mm, to which the input and output channels are connected symmetrically with respect to the center. In order to eliminate inhomogeneities and ensure a more uniform distribution of the velocity field over the cell area, the channels are conjugated to the cell circumference by arcs, for example, with a radius of 2.1 mm.
Две ячейки предназначены для моделей кишечника (поз. 5) и печени (поз. 6), а оставшиеся, по меньшей мере, четыре ячейки - являются типовыми (поз. 7), т.е. предназначены для культивирования других моделей, таких как модель мышечной ткани, модель нейрональной ткани, модель почки и т.п.Two cells are for models of the intestine (pos. 5) and liver (pos. 6), and the remaining at least four cells are typical (pos. 7), i.e. designed to cultivate other models, such as a muscle tissue model, a neuronal tissue model, a kidney model, etc.
Также в пластине из поликарбоната имеются входное и выходное резьбовые отверстия для фитингов (поз. 8), сообщающиеся с соответствующими входным (поз. 9) и выходным (поз. 10) отверстием в слое ПДМС, подключенными к входному (поз. 11) и выходному каналам (поз. 12).Also in the polycarbonate plate there are inlet and outlet threaded holes for fittings (pos. 8) that communicate with the corresponding inlet (pos. 9) and outlet (pos. 10) hole in the PDMS layer connected to the inlet (pos. 11) and output channels (item 12).
Система каналов включает в себя два фрагмента, первый из которых объединяет четыре типовых ячейки, а второй - соединяет ячейку модели кишечника и подключенную после нее ячейку модели печени.The channel system includes two fragments, the first of which combines four typical cells, and the second connects the cell of the intestinal model and the cell of the liver model connected after it.
В первом фрагменте ячейки соединены попарно первыми (поз. 14) и вторыми (поз. 15) распределительными и первыми (поз. 16) и вторыми (поз. 17) смесительными каналами, которые в свою очередь соединены третьим распределительным (поз. 18) и третьим смесительным (поз. 19) каналами соответственно. Соединения сделаны симметричными по горизонтальной и вертикальной осям и образованы Т-соединениями (поз. 20), что обеспечивает одинаковый объемный расход в каждой ячейке (равный четверти объемного расхода в третьем распределительном канале).In the first fragment, the cells are connected in pairs by the first (pos. 14) and second (pos. 15) distribution and first (pos. 16) and second (pos. 17) mixing channels, which in turn are connected by the third distribution (pos. 18) and third mixing (item 19) channels, respectively. The joints are made symmetrical along the horizontal and vertical axes and are formed by T-joints (key 20), which ensures the same volumetric flow rate in each cell (equal to a quarter of the volumetric flow rate in the third distribution channel).
Второй фрагмент соединяет ячейки модели кишечника и печени. Жидкость, поступающая по второй ветви четвертого распределительного канала (поз. 26) ко второму фрагменту, делится между ячейкой модели кишечника и ее байпасным каналом, откуда поступает на ячейку модели печени. В частности, входной канал ячейки модели кишечника (поз. 27) соединен с байпасным каналом (поз. 13), который в свою очередь соединен с выходным каналом ячейки модели печени (поз. 28) и входным каналом модели кишечника (поз. 29). Гидродинамическое сопротивление байпасного канала, обусловленное его формой (два U-образных элемента (поз. 21), представляющих собой изгиб канала на 180°, например, с радиусом 0.6 мм) и длиной, подобрано таким образом, что на модель печени поступает вся жидкость из модели кишечника и часть жидкости, не прошедшей через модель кишечника, с соотношением 3 к 1 соответственно.The second fragment connects the cell model of the intestine and liver. The fluid flowing through the second branch of the fourth distribution channel (key 26) to the second fragment is divided between the cell of the intestinal model and its bypass channel, from where it enters the cell of the liver model. In particular, the input channel of the intestinal model cell (pos. 27) is connected to the bypass channel (pos. 13), which in turn is connected to the output channel of the liver model cell (pos. 28) and the input channel of the intestinal model (pos. 29). The hydrodynamic resistance of the bypass channel, due to its shape (two U-shaped elements (pos. 21), representing a channel bend of 180 °, for example, with a radius of 0.6 mm) and length, is selected in such a way that all the fluid from the liver enters models of the intestine and part of the fluid that did not pass through the model of the intestine, with a ratio of 3 to 1, respectively.
Первый и второй фрагменты соединены первой и второй ветвями четвертого распределительного канала (поз. 25, 26) и четвертым смесительным каналом (поз. 22), к которым подключены входной и выходной каналы микрофлюидного чипа соответственно. При этом выходной канал ячейки модели печени переходит в четвертый смесительный канал. Гидродинамическое сопротивление четвертого распределительного канала подобрано таким образом, что соотношение объемного расхода между первым и вторым фрагментом составляет 5 к 1 соответственно. Для этого четвертый распределительный канал имеет участок увеличения гидродинамического сопротивления (поз. 23), который представляет собой восемь идентичных U-образных элементов, представляющих собой изгиб канала на 180°, например с радиусом 0.6 мм, соединенных в виде змеевика.The first and second fragments are connected by the first and second branches of the fourth distribution channel (pos. 25, 26) and the fourth mixing channel (pos. 22), to which the input and output channels of the microfluidic chip are connected, respectively. In this case, the output channel of the cell model of the liver passes into the fourth mixing channel. The hydrodynamic resistance of the fourth distribution channel is selected in such a way that the ratio of the volume flow between the first and second fragment is 5 to 1, respectively. For this, the fourth distribution channel has a section for increasing the hydrodynamic resistance (key 23), which is eight identical U-shaped elements representing a channel bend of 180 °, for example with a radius of 0.6 mm, connected in the form of a coil.
Все соединения выполнены Т-образными, кроме соединений ячейки кишечника и байпасного канала, которые выполнены Y-образными (поз. 24) (с углами 135°, 135° и 90°). Оба варианта соединения обеспечивают равенство гидродинамических сопротивлений на симметричных ветвях и отсутствие неравномерного деления между ветвями частиц, которые могут находиться в культуральной жидкости. Для устранения неоднородности течения каналы в обоих вариантах соединений сопряжены дугами с радиусами, например, 0.4 мм.All connections are made T-shaped, except for the connections of the intestinal cell and the bypass channel, which are made Y-shaped (pos. 24) (with angles of 135 °, 135 ° and 90 °). Both variants of the connection ensure the equality of hydrodynamic drags on symmetrical branches and the absence of uneven division between the branches of particles that may be in the culture fluid. To eliminate the flow heterogeneity, the channels in both variants of the joints are connected by arcs with radii, for example, 0.4 mm.
Подбор гидродинамического сопротивления в отдельных участках системы микрофлюидных каналов осуществлялся итеративно с помощью численного моделирования и использования эмпирических соотношений для гидродинамического сопротивления каналов прямоугольного сечения.The hydrodynamic resistance in individual parts of the microfluidic channel system was selected iteratively using numerical modeling and the use of empirical relations for the hydrodynamic resistance of rectangular channels.
При культивировании моделей культуральная жидкость подается на вход микрофлюидного устройства и в соответствии с гидродинамическими сопротивлениями различных участков распределяется, обеспечивая заданные соотношения объемных расходов.When cultivating models, the culture fluid is fed to the input of the microfluidic device and is distributed in accordance with the hydrodynamic resistances of the various sections, providing the specified volumetric flow ratios.
Проверка выполнения соотношений объемных расходов производилась экспериментально на макетах с помощью анемометрии по изображениям частиц.Verification of the fulfillment of the ratios of volumetric expenses was carried out experimentally on mock-ups using anemometry using particle images.
По результатам экспериментального сравнения функциональный статус сокультивируемых в данном микрофлюидном чипе клеточных моделей оказался более выраженным по сравнению со статической моделью. Таким образом, в данной конструкции достигается более аутентичное поведение клеточных моделей органов.According to the results of experimental comparison, the functional status of cell models co-cultured in this microfluidic chip turned out to be more pronounced in comparison with the static model. Thus, in this design, a more authentic behavior of cellular models of organs is achieved.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015110884/10A RU2584598C1 (en) | 2015-03-27 | 2015-03-27 | Microfluid chip for creation of mammalian organ cell models |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015110884/10A RU2584598C1 (en) | 2015-03-27 | 2015-03-27 | Microfluid chip for creation of mammalian organ cell models |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2584598C1 true RU2584598C1 (en) | 2016-05-20 |
Family
ID=56012212
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015110884/10A RU2584598C1 (en) | 2015-03-27 | 2015-03-27 | Microfluid chip for creation of mammalian organ cell models |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2584598C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU183946U1 (en) * | 2018-05-21 | 2018-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "БиоКлиникум" | MICROFLUID CHIP CELL BLOCK |
| RU2672581C2 (en) * | 2016-12-30 | 2018-11-16 | Общество с ограниченной ответственностью научно-технический центр "БиоКлиникум" (ООО НТЦ "БиоКлиникум") | Microfluid device for studying effect of chemical substances on mammalian cells |
| RU189789U1 (en) * | 2018-09-05 | 2019-06-04 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "БиоКлиникум" | MICROFLUID DEVICE FOR THE RESEARCH OF THE EFFECT OF CHEMICAL SUBSTANCES ON MAMMALIAN CELLS |
| RU2741806C2 (en) * | 2016-06-15 | 2021-01-28 | Миметас Б.В. | Device and methods for culturing cells |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2389024C1 (en) * | 2008-12-02 | 2010-05-10 | Александр Валентинович Шишкин | Method of study of cells by means of immunological biochip |
| WO2010101708A2 (en) * | 2009-03-04 | 2010-09-10 | University Of Maine System Board Of Trustees | Microfluidic device and related methods |
| WO2014048637A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | Tissuse Gmbh | Multi-organ-chip with improved life time and homoeostasis |
| RU2517046C2 (en) * | 2008-06-04 | 2014-05-27 | Тиссюз Гмбх | "organ-on-chip" device |
-
2015
- 2015-03-27 RU RU2015110884/10A patent/RU2584598C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2517046C2 (en) * | 2008-06-04 | 2014-05-27 | Тиссюз Гмбх | "organ-on-chip" device |
| RU2389024C1 (en) * | 2008-12-02 | 2010-05-10 | Александр Валентинович Шишкин | Method of study of cells by means of immunological biochip |
| WO2010101708A2 (en) * | 2009-03-04 | 2010-09-10 | University Of Maine System Board Of Trustees | Microfluidic device and related methods |
| WO2014048637A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | Tissuse Gmbh | Multi-organ-chip with improved life time and homoeostasis |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741806C2 (en) * | 2016-06-15 | 2021-01-28 | Миметас Б.В. | Device and methods for culturing cells |
| US11629319B2 (en) | 2016-06-15 | 2023-04-18 | Mimetas, B.V. | Cell culture device and methods |
| RU2672581C2 (en) * | 2016-12-30 | 2018-11-16 | Общество с ограниченной ответственностью научно-технический центр "БиоКлиникум" (ООО НТЦ "БиоКлиникум") | Microfluid device for studying effect of chemical substances on mammalian cells |
| RU183946U1 (en) * | 2018-05-21 | 2018-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "БиоКлиникум" | MICROFLUID CHIP CELL BLOCK |
| RU189789U1 (en) * | 2018-09-05 | 2019-06-04 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "БиоКлиникум" | MICROFLUID DEVICE FOR THE RESEARCH OF THE EFFECT OF CHEMICAL SUBSTANCES ON MAMMALIAN CELLS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lee et al. | Kidney-on-a-chip: a new technology for predicting drug efficacy, interactions, and drug-induced nephrotoxicity | |
| Ishida | Organs-on-a-chip: current applications and consideration points for in vitro ADME-Tox studies | |
| Ingber | Reverse engineering human pathophysiology with organs-on-chips | |
| Skardal et al. | Organoid-on-a-chip and body-on-a-chip systems for drug screening and disease modeling | |
| Ghaemmaghami et al. | Biomimetic tissues on a chip for drug discovery | |
| AU2017306548B2 (en) | Cancer modeling platforms and methods of using the same | |
| JP4260627B2 (en) | Device and method for cell culture system based on pharmacokinetics | |
| Yum et al. | Physiologically relevant organs on chips | |
| Baker | A living system on a chip | |
| RU2584598C1 (en) | Microfluid chip for creation of mammalian organ cell models | |
| US8748180B2 (en) | Microfluidic device for pharmacokinetic-pharmacodynamic study of drugs and uses thereof | |
| CN104160012B (en) | Layering microfluid viable cell array | |
| Chin et al. | Blood–brain barrier on a chip | |
| RU171690U1 (en) | Microfluidic Chip for the Creation of Cellular Models of Mammalian Organs | |
| Malik et al. | Critical considerations for the design of multi-organ microphysiological systems (MPS) | |
| Driver et al. | Organ-on-a-chip technology: an in-depth review of recent advancements and future of whole body-on-chip | |
| Esch et al. | Body-on-a-chip systems: design, fabrication, and applications | |
| Deng et al. | Organ-on-a-chip meets artificial intelligence in drug evaluation | |
| Seidi et al. | Simulation and modeling of physiological processes of vital organs in organ-on-a-chip biosystem | |
| Dehne et al. | Human body-on-a-chip systems | |
| Guarino et al. | Advancements in modelling human blood brain-barrier on a chip | |
| Jahagirdar et al. | Degenerative disease‐on‐a‐chip: Developing microfluidic models for rapid availability of newer therapies | |
| Nithin et al. | Organ-on-a-chip: an emerging research platform | |
| Jin et al. | Replacement techniques to reduce animal experiments in drug and nanoparticle development | |
| Ngo et al. | In Vitro Tumor Models on Chip and Integrated Microphysiological Analysis Platform (MAP) for Life Sciences and High-Throughput Drug Screening |