Проточная камера с параллельными пластинами

Камера потока жидкости с параллельными пластинами представляет собой настольную (in vitro) модель, которая имитирует напряжения сдвига жидкости в различных типах клеток, подвергающихся динамическому потоку жидкости в их естественной физиологической среде. Метаболический ответ клеток in vitro связан с напряжением сдвига стенки .

Типичная проточная камера с параллельными пластинами состоит из распределителя из поликарбоната , силиконовой прокладки и покровного стекла . Распределитель, образующий одну сторону проточной камеры с параллельными пластинами, включает в себя впускной порт, выпускной порт и вакуумную щель. Толщина прокладки определяет высоту пути потока. Покровное стекло образует другую сторону проточной камеры с параллельными пластинами и может быть покрыто внеклеточного матрикса (ECM) белками , сосудистыми клетками или биоматериалами представляющими интерес . Вакуум образует уплотнение, удерживающее эти три части, и обеспечивает одинаковую высоту канала. ^{[ 1 ]}

Обычно жидкость поступает с одной стороны камеры и выходит с противоположной стороны. Верхняя пластина обычно прозрачна , а нижняя представляет собой подготовленную поверхность, на которой клетки культивируются в течение заданного периода времени. Поведение клеток наблюдают с помощью микроскопа в проходящем или отражающем свете .

Уравнение

Внутри камеры поток жидкости создает напряжение сдвига ( $\tau$ ) на стенке камеры, и типичное уравнение, описывающее эту зависимость как функцию скорости потока Q и высоты камеры h, может быть получено из уравнений Навье-Стокса и уравнения непрерывности :

Проточная камера с параллельными пластинами

$\rho ({\frac {\partial V_{x}}{\partial t}}+V_{x}{\frac {\partial V_{x}}{\partial x}}+V_{y}{\frac {\partial V_{x}}{\partial y}}+V_{z}{\frac {\partial V_{x}}{\partial z}})={\frac {\partial P}{\partial x}}+\mu ({\frac {\partial ^{2}V_{x}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}V_{x}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}V_{x}}{\partial z^{2}}})+\rho g_{x}$

С такими предположениями, как ньютоновская жидкость, несжимаемая жидкость, ламинарный поток и граничные условия отсутствия проскальзывания, уравнения Навье-Стокса упрощаются до:

$-{\frac {\partial P}{\partial x}}=\mu ({\frac {\partial ^{2}V_{x}}{\partial y^{2}}})$

Решение первого дифференциального уравнения даст:

$-{\frac {\partial P}{\partial x}}y=\mu ({\frac {\partial V_{x}}{\partial y}})+C$

Решая второе дифференциальное уравнение для граничного условия прилипания, профиль скорости определяется выражением:

$V_{x}={\frac {1}{2\mu }}{\frac {\partial P}{\partial x}}(H^{2}-y^{2})$

Затем это можно использовать в уравнении непрерывности, которое гласит:

$Q=\int \int _{A}V_{x}dA=W\int _{-H}^{H}{\frac {1}{2\mu }}{\frac {\partial P}{\partial x}}(H^{2}-y^{2})dy$

Решение этого интеграла выведет:

$Q={\frac {2WH^{3}}{3\mu }}{\frac {\partial P}{\partial x}}$

Решив уравнение изменения давления и подставив его в первое дифференциальное уравнение, можно рассчитать напряжение сдвига для проточной камеры с параллельными пластинами.

$\tau =-\mu {\frac {\partial V_{x}}{\partial y}}={\frac {\partial P}{\partial x}}H={\frac {3Q\mu }{2WH^{2}}}$

Где μ — динамическая вязкость , а w — ширина проточной камеры. В этих методах сдвиговые напряжения, действующие на ячейки, принимаются примерно равными сдвиговым напряжениям на стенках камеры, поскольку высота ячейки примерно на два порядка меньше высоты камеры.

Преимущества

Проточная камера с параллельными пластинами в своей оригинальной конструкции способна создавать четко определенное напряжение сдвига стенки в физиологическом диапазоне 0,01-30 дин/см. ². Напряжение сдвига создается за счет течения жидкости (например, цельной крови с антикоагулянтом или суспензий изолированных клеток) через камеру над иммобилизованным субстратом в контролируемых кинематических условиях с использованием шприцевого насоса . Преимущества проточной камеры с параллельными пластинами:

1. Это делает возможным изучение воздействия постоянного напряжения сдвига на клетки в течение определенного периода времени.

2. Устройство просто по конструкции, сборке и эксплуатации.

3. Клетки можно выращивать в условиях потока и наблюдать под микроскопом или визуализировать в реальном времени с помощью видеомикроскопии. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Проектирование ППФК

Первоначальная конструкция камеры с параллельным потоком основана на конструкции, описанной Хохмутом и его коллегами для изучения эритроцитов. Проточная камера с параллельными пластинами использовалась в ранних исследованиях нейтрофилов Wikinson et al. и Форрестор и др. изучить их адгезивные свойства на всасываемых белках плазмы . Лоуренс и др. описал один из первых анализов в параллельных проточных камерах для изучения адгезии нейтрофилов к эндотелию . Со времени этих более ранних исследований многие исследователи использовали проточную камеру с параллельными пластинами и ее модифицированные версии для изучения динамики адгезии нейтрофилов к различным субстратам, включая эндотелиальные клетки , тромбоциты , лейкоциты , трансфицированные клеточные линии и очищенные молекулы . ^{[ 4 ]}

Приложение

Проточная камера с параллельными пластинами является широко используемым оборудованием для изучения клеточной механики на столе. Многие исследователи использовали проточные камеры с параллельными пластинами для исследования динамической адгезии между лейкоцитами (лейкоцитами) и эндотелиальными клетками (клетками, выстилающими кровеносные сосуды) при определенном напряжении сдвига. ^{[ 5 ]} В частности, были проведены некоторые исследования по изучению взаимодействия лейкоцитарного рецептора с лигандом. ^{[ 6 ]} Взаимодействия между клеточными рецепторами (селектинами и/или интегринами) и их лигандами опосредуют свертывание и, как полагают, играют важную роль в адгезии лейкоцитов. ^{[ 7 ]} Более того, многие исследователи использовали проточные камеры с параллельными пластинами, чтобы обеспечить напряжение сдвига и имитировать среду роста раковых клеток вне тела. ^{[ 8 ]} Это универсальный инструмент для понимания механизмов пролиферации, адгезии и метастазирования раковых клеток. Проточные камеры с параллельными пластинами широко используются также для тестирования лекарств в клеточного хемотаксиса . анализе ^{[ 9 ]} и для новых систем целевой доставки лекарств, основанных на процессах адгезии лейкоцитов и эндотелия.

Ссылки

^ Лоскальцо Дж., Шафер А.И. «Тромбоз и кровотечение». Липпинкотт Уильямс и Уилкинс, 2003 г.
^ Морган Дж. Р., Ярмуш М. Л. «Методы и протоколы тканевой инженерии». Humana Press, 1999 – Наука –
^ Муса А. «Антикоагулянты, антиагреганты и тромболитики». Humana Press, 2004 – Медицинский –
^ Куинн М.Т., Делео Ф., Бокоч Г.М. «Методы и протоколы для нейтрофилов». Методы молекулярной биологии. Том 412.
^ ЛИН Сюй, Е Цзянь-Фэн, ЧЖЭН Сяо-Сян. «Динамическое исследование адгезионного взаимодействия лейкоцитов и эндотелиальных клеток при напряжении сдвига жидкости in vitro». Acta Biochimica et Biophysical Sinica 2003, 35(6): 567-572.
^ Таите, Лейкешиа Дж.; Роуленд, Мод Л.; Руффино, Кэти А.; Смит, Брайан Р.Э.; Лоуренс, Майкл Б.; Уэст, Дженнифер Л. «Биоактивные гидрогелевые субстраты: исследование взаимодействий лейкоцитарного рецептора и лиганда в исследованиях в проточной камере с параллельными пластинами». Анналы биомедицинской инженерии. Том. 34 Выпуск 11. 2 ноября 2006 г.
^ Георг К. Визе, Стивен Р. Бартель, Чарльз Дж. Димитрофф. «Анализ в проточной камере с параллельными пластинами физиологического катания лейкоцитов, опосредованного E-селектином, на микрососудистых эндотелиальных клетках». J Vis Exp. 2009 11 февраля.
^ Чжао Лянь, Ляо Фу-Лун, ХАН Донг, ЧЖОУ Хун. «Применение проточной камеры с параллельными пластинами в исследованиях рака». Вестник Академии военно-медицинских наук. 2009-05
^ Марио Мелладо, Карлос Мартинес-А, Хосе Мигель Родригес-Фраде. «Тестирование лекарств в исследованиях клеточного хемотаксиса». Современные протоколы в фармакологии. Номер подразделения: ЕДИНИЦА 12.11. июнь 2008 г.

[1] Лоскальцо Дж., Шафер А.И. «Тромбоз и кровотечение». Липпинкотт Уильямс и Уилкинс, 2003 г.

[2] Морган Дж. Р., Ярмуш М. Л. «Методы и протоколы тканевой инженерии». Humana Press, 1999 – Наука –

[3] Муса А. «Антикоагулянты, антиагреганты и тромболитики». Humana Press, 2004 – Медицинский –

[4] Куинн М.Т., Делео Ф., Бокоч Г.М. «Методы и протоколы для нейтрофилов». Методы молекулярной биологии. Том 412.

[5] ЛИН Сюй, Е Цзянь-Фэн, ЧЖЭН Сяо-Сян. «Динамическое исследование адгезионного взаимодействия лейкоцитов и эндотелиальных клеток при напряжении сдвига жидкости in vitro». Acta Biochimica et Biophysical Sinica 2003, 35(6): 567-572.

[6] Таите, Лейкешиа Дж.; Роуленд, Мод Л.; Руффино, Кэти А.; Смит, Брайан Р.Э.; Лоуренс, Майкл Б.; Уэст, Дженнифер Л. «Биоактивные гидрогелевые субстраты: исследование взаимодействий лейкоцитарного рецептора и лиганда в исследованиях в проточной камере с параллельными пластинами». Анналы биомедицинской инженерии. Том. 34 Выпуск 11. 2 ноября 2006 г.

[7] Георг К. Визе, Стивен Р. Бартель, Чарльз Дж. Димитрофф. «Анализ в проточной камере с параллельными пластинами физиологического катания лейкоцитов, опосредованного E-селектином, на микрососудистых эндотелиальных клетках». J Vis Exp. 2009 11 февраля.

[8] Чжао Лянь, Ляо Фу-Лун, ХАН Донг, ЧЖОУ Хун. «Применение проточной камеры с параллельными пластинами в исследованиях рака». Вестник Академии военно-медицинских наук. 2009-05

[9] Марио Мелладо, Карлос Мартинес-А, Хосе Мигель Родригес-Фраде. «Тестирование лекарств в исследованиях клеточного хемотаксиса». Современные протоколы в фармакологии. Номер подразделения: ЕДИНИЦА 12.11. июнь 2008 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]