Historia mikroprzepływów sięga lat 60. ubiegłego wieku, kiedy technologia ta była używana głównie w drukarkach atramentowych. Dzisiaj budzi duże zainteresowanie w biologii, diagnostyce i syntezie chemicznej zarówno w przemyśle, jak i środowisku akademickim. Pojawiające się prace badawcze obejmują: dziedziny medycyny spersonalizowanej, technologię organ-on-a-chip, hodowle komórkowe, analizę chemiczną czy badania przesiewowe.

Czym jest mikrofluidyka?

Głównym założeniem mikrofluidyki jest wykorzystywanie bardzo małych ilości próbek i odczynników oraz przeprowadzanie skomplikowanych analiz z wysoką czułością, co znacznie redukuje koszty oraz skraca czas badań. Oferuje ona nowe możliwości kontroli płynów w małej skali, a także pozwala ograniczyć liczbę badań prowadzonych na zwierzętach, co jest zgodne z postanowieniami unijnymi, które zakładają całkowity brak zwierząt w laboratoriach w ciągu najbliższych lat.

Laboratorium na chipie

Głównym problemem, z którym muszą zmagać się naukowcy na co dzień, jest brak przewidywalności. Wykonując badania na zwierzętach, nie są oni w stanie jednoznacznie określić, czy dana substancja jednakowo zadziała na organizm ludzki, natomiast badając komórki ludzkie, nie są w stanie badać wpływu systemowego, tzn. na cały organizm. Rozwiązaniem tego problemu okazały się laboratoria chipowe, symulujące aktywność ludzkich narządów. W ich skład wchodzą m.in. chipy o rozmiarach nie większych od szkiełka mikroskopowego, zawierające kanały i komory, umożliwiające wykonywanie reakcji chemicznych. Chipy połączone są kanalikami z systemem pomp, zaworów oraz czujników, które zapewniają stały przepływ cieczy i ciągłe dostarczanie niezbędnych składników odżywczych i tlenu do komórek. Cały proces jest prowadzony w mikroskali, która w dużym stopniu naśladuje właściwości mechaniczne panujące w ludzkim organizmie, co przewyższa stosowane dotychczas metody.

Jedną z firm produkujących takie urządzenia jest TissUse, która opracowała unikatową platformę „Multi-Organ-Chip”, umożliwiającą jednoczesne hodowanie wielu modeli narządów ludzkich na jednym chipie we wspólnym obiegu mikrofluidycznym. Oferuje ona nowe podejście do badań toksyczności i metabolizmu różnych substancji, takich jak: leki, kosmetyki czy dodatki do żywności. Umożliwia to przewidywanie efektów działania związków chemicznych, a nawet – usprawnia badania kliniczne na ludziach.

Na rynku dostępnych jest wiele chipów mikroprzepływowych, lecz nie zawsze spełniają one wszystkie warunki danego eksperymentu, dlatego częstą praktyką wśród naukowców jest wytwarzanie własnych chipów, projektowanych na potrzeby danego badania. Prototypowanie i szybkie wytwarzanie niepowtarzalnych chipów oraz lepsza kontrola nad warunkami eksperymentu są możliwe, dzięki urządzeniu Alveole Primo, które pozwala na modyfikację mikrośrodowisk z rozdzielczością 1.2 µm, tworząc złożone formy 3D, takie jak rampy czy zakrzywione studzienki. Primo używa trzech technik do tworzenia niestandardowych środowisk: miniaturyzacji wzorów (tzw. mikropatterningu), strukturyzacji hydrożelu i mikrofabrykacji, co pozwala na badanie mechanizmów komórkowych w powtarzalnych warunkach.

Rys. Schemat budowy organ-on-chip, źródło: Ingber, D.E. Human organs-on-chips for disease modelling, drug development and personalized medicine. Nat Rev Genet 23, 467-491 (2022). https://doi.org/10.1038/s41576-022-00466-9

Mikroprzepływy na dużą skalę

Biologia komórki jest podstawą badań w obszarze medycznym. Zrozumienie i możliwość przewidzenia, jak komórki zareagują w przypadku infekcji czy w stanie patologicznym są niezbędne w odkrywaniu nowych metod leczenia. W tym celu potrzebne są techniki, pozwalające na prowadzenie takich eksperymentów na dużą skalę. 

Jedną z międzynarodowych firm, umożliwiających takie badania, jest Fluigent, która opracowuje, produkuje i wspiera najbardziej zaawansowane systemy kontroli płynów. Jako pierwsza wprowadziła technologię pomp ciśnieniowych, która pozwoliła na bardziej stabilną i precyzyjną kontrolę przepływu płynów w mikroskali. Współpraca z firmą BEOnChip umożliwiła stworzenie szerokiego wyboru mikrofluidycznych chipów, które znajdują wiele zastosowań w badaniach biologicznych. Fluigent oferuje również rozwiązania, które mają na celu ułatwić i przyspieszyć pracę. Dzięki zautomatyzowanemu systemowi do sekwencyjnych eksperymentów perfuzyjnych, system Aria pozwala na dostarczanie do 10 różnych roztworów do chipów lub innych układów, zgodnie z protokołami zdefiniowanymi przez użytkownika. Proces zachodzi sprawnie, a samo urządzenie może pracować w inkubatorze, dzięki czemu komórki przechowywane są w odpowiednim środowisku i nie są narażone na stres, który może zmieniać ich właściwości fizjologiczne. 

Dodatkowo, dzięki zastosowaniu mikroskopów odpowiednich do obrazowania chipów w czasie rzeczywistym, można stale monitorować postępy eksperymentu. Stosując skaner mikroskopowy Cellcyte X firmy Cytena, możliwe jest jednoczesne obrazowanie aż do sześciu płytek hodowlanych w trybie jasnego pola, z możliwością użycia trzech kanałów fluorescencji. Dzięki dostosowaniu mikroskopu do pracy ciągłej w warunkach inkubacji, zapewniona jest możliwie najwyższa żywotność komórek.

Zastosowanie mikroskopii holotomograficznej pozwoli na ciągłe i trójwymiarowe obrazowanie materiałów biologicznych w rozdzielczości przekraczającej granice dyfrakcji, bez żadnego barwienia czy preparatyki próbki. Stosując mikroskop holotomograficzny Nanolive CX-A, można obrazować wnętrze komórek z rozdzielczością 200 nm w osiach X i Y. Urządzenie wyposażone jest także w ramię robotyczne, dzięki któremu można obserwować nie tylko wnętrze pojedynczej komórki, ale również całą populację.

Chcąc udoskonalić swoje badania, naukowcy często korzystają z możliwości mikroskopii konfokalnej, która pozwala na uzyskanie wyższej jakości obrazów oraz rekonstrukcję uzyskanych zdjęć w trzech wymiarach. BC43 to kompaktowy mikroskop stołowy, który pozwala na dostęp do technologii konfokalnej w każdym laboratorium, bez konieczności stosowania ciemni. System, w połączeniu z oprogramowaniem Imaris, pozwala na tworzenie i kompleksową analizę wysokorozdzielczych zdjęć i wielowymiarowych filmów.

Krople a mikrofluidyka

Istotnym zagadnieniem z zakresu mikrofluidyki są badania wykorzystujące właściwości kropli. Krople uzyskuje się, tnąc strumienie płynu w układach o specjalnej geometrii, tzw. generatorach. Następnie wytworzona kropelka może służyć jako miniaturowy reaktor chemiczny. Mikrofluidyka kroplowa jest techniką, pozwalającą na produkcję kropel w sposób wysoce powtarzalny i oferującą dużą kontrolę nad parametrami produkcji. Przy takim poziomie kontroli pojawiły się zastosowania, które wcześniej nie były możliwe, m.in. w stworzonym „reaktorze” można zamknąć pojedyncze bakterie, a następnie dodawać substancję, aby monitorować wzrost i ich zachowanie. Jej największą zaletą jest jednak to, że umożliwia analizę ekspresji RNA na poziomie genomu w tysiącach pojedynczych komórek jednocześnie. Technika ta pozwala na wytworzenie w ciągu sekundy nawet kilkudziesięciu kropel, dzięki czemu badania, które wcześniej trwały całymi miesiącami, można zrealizować w ciągu kilku dni.

W obecnych czasach przemysł farmaceutyczny kładzie duży nacisk na poszukiwanie nowych form nośników leków, które usprawniłyby ich precyzyjność i pozwoliły kontrolować czas uwalniania leku. Jednym z rozwiązań tego problemu jest mikrofluidyka kroplowa, a dokładniej – technologia enkapsulacji. Urządzenie RayDrop firmy Secoya Technologies wykorzystuje dwie niemieszające się fazy (np. wodę-olej), a powstawanie kropel zachodzi poprzez kontrolowane wyciskanie jednej fazy przez drugą. Proces ten przebiega w kapilarach, tj. cienkich, szklanych rurkach, których specjalne ułożenie umożliwia ich powstawanie. W wytworzonych kroplach możliwa jest enkapsulacja składników aktywnych, takich jak białka, które po dotarciu do konkretnego miejsca w organizmie, w sposób kontrolowany uwalniają daną substancję. Dostarczanie leku taką metodą zwiększa efektywność terapii i ogranicza do minimum objawy niepożądane, wynikające z długiego stosowania preparatów leczniczych.

Obserwowany w ostatnim czasie prężny rozwój mikroprzepływów wprowadził innowacje w wielu dziedzinach, w tym w naukach biologicznych i medycynie, a ukazujące się prace badawcze sugerują ogromny potencjał, jaki jeszcze tkwi w tej technice. Wszystkie opisane wyżej urządzenia dostępne są w ofercie polskiej firmy Sygnis S.A., zajmującej się nowymi technologiami. Zapraszamy do kontaktu telefonicznego: 22 668 47 57 lub mailowego: bio@sygnis.pl