Generation of 3d microfluidic system for polarization of immune cells

Abstract

Doku mühendisliği ve biyomalzeme uygulamalarında inflamasyon, implant edilen materyalin veya cihazın bağışıklık mekanizmasını etkilemesi sonucunda oluşabilmekte ve hedef dokunun rejenerasyonu açısından son derece önemlidir. Bağışıklık sistemi hücrelerinden olan makrofajlar, mikroçevrelerindeki uyaranlara yanıt olarak polarize durumunu değiştirerek yara iyileşmesini ve doku rejenerasyonunu düzenlemede kritik bir rol oynamaktadırlar. Makrofaj polarizasyonu, inflamasyonu kontrol etmek, implantın red edilmesini önlemek ve biyomateryalin entegrasyonunu hızlandırmak açısından dikkat edilmesi gereken bir konudur. M1 Makrofajları proinflamatuar özelliklere sahip olup aynı zamanda immün sisteme giren patojenlere karşı sitokin salgılamaktadırlar. M2 makrofajları ise anti-enflamatuar özelliklere sahiptirler ve doku rejenerasyonuyla beraber anjiyojenezde rol oynamaktadırlar. Yapılan son çalışmalar iki boyutlu tek tabaka hücre kültür sistemleri, immün sistemin karmaşık yapısını taklit etmede yetersiz kaldığını göstermektedir. Mikroakışkan sistemler çok küçük miktardaki sıvıların kontrolüne izin veren ve doku/hastalık modellerinin dış uyaranlara karşı verdikleri tepkileri incelemek için tasarlanmış platformlardır. Bu proje kapsamında doku mühendisliği yaklaşımları kullanılarak 3-boyutlu (3B) dinamik mikroakışkan sistemler ile makrofaj ve mikroglia polarizasyonunun sağlanması ve kontrollü şekilde yönlendirilmesi amaçlanmaktadır. Bu platformları kullanarak, dinamik kültür kaynaklı stres koşulları altında hücrelerin davranışını incelemeyi ve çeşitli mikroakışkan sistem tasarımları içerisinde analiz edilmesi hedeflenmektedir.Bu çalışmada hücrelerin 3-boyutlu doğal ortamındaki gibi davranması için ışık ile polimerleşebilen jelatin bazlı biyouyumlu hidrojel kullanılmaktadır. 3B hidrojel, mekanik özellikleri ve biyobozunabilirliği açısından doku benzeri özellik göstermekte ve makrofaj hücreleri için doğal ortamı sağlayan yapay hücre dışı matris işlevini sağlamaktadır. Mikroakışkan platformlar çeşitli mühendislik yazılımları kullanılarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Mikroakışkan çiplerin içerisine hücreler 3B enkapsüle edildikten sonra sürekli akış altında çeşitli sitokinlerle M1-M2 polarizasyonları mRNA ve histolojik düzeyde incelenmiştir.

In tissue engineering and biomaterial applications, inflammation can occur as a result of affecting the immune mechanism of the implanted material or device. Such immune response is critical for the regeneration of the target tissue. Macrophages, immune system cells, play a critical role in regulating wound healing and tissue regeneration by changing their polarized state in response to stimuli from the microenvironment. Macrophage polarization and control of inflammation should be taken into account in order to prevent the rejection of the implant, failure of the graft and wound healing. While M1 macrophages, which have pro-inflammatory properties and fight with pathogens, M2 macrophages have anti-inflammatory properties and are involved in tissue regeneration and angiogenesis. Recent studies show that two-dimensional monolayer cell culture systems are insufficient to mimic the complex structure of the immune system.Microfluidic systems are platforms designed to allow control of very small amounts of fluids and to investigate the response of tissue/disease models to external stimuli. The aim of this project is to provide the 3-dimensional (3D) dynamic microfluidic systems for the macrophage polarization of macrophages and microglial cells using tissue engineering approaches. Using these platforms, we investigate the behavior of cells under stress conditions and when they are targeted by various microfluidic system designs.In this study, a light-polymerizable biocompatible gelatin-based hydrogel is used like cellular 3D microenvironment. The 3D hydrogel exhibits tissue-like properties in terms of its mechanical properties and biodegradability and provides an artificial extracellular matrix function that provides the natural environment for macrophages. Microfluidic platforms are designed and developed using a variety of engineering software. After the cells are encapsulated in the 3D microfluidic chip, M1-M2 polarization is examined with qPCR and histological techniques under continuous flow.