Oh, Soojung;Kim, Jangho;Ryu, Hyun Ryul;Lim, Ki-Taek;Chung, Jong Hoon;Jeon, Noo Li
Journal of Biosystems Engineering
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제39권3호
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pp.244-252
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2014
Purpose: The development of an efficient in vitro cell culture device to process various cells would represent a major milestone in biological science and engineering. However, the current conventional macro-scale in vitro cell culture platforms are limited in their capacity for detailed analysis and determination of cellular behavior in complex environments. This paper describes a microfluidic-based culture device that allows accurate control of parameters of physical cues such as pressure. Methods: A microfluidic device, as a model microbioreactor, was designed and fabricated to culture Saccharomyces cerevisiae and Chlamydomonas reinhardtii under various conditions of physical pressure stimulus. This device was compatible with live-cell imaging and allowed quantitative analysis of physical cue-induced behavior in yeast and microalgae. Results: A simple microfluidic-based in vitro cell culture device containing a cell culture channel and an air channel was developed to investigate physical pressure stress-induced behavior in yeasts and microalgae. The shapes of Saccharomyces cerevisiae and Chlamydomonas reinhardtii could be controlled under compressive stress. The lipid production by Chlamydomonas reinhardtii was significantly enhanced by compressive stress in the microfluidic device when compared to cells cultured without compressive stress. Conclusions: This microfluidic-based in vitro cell culture device can be used as a tool for quantitative analysis of cellular behavior under complex physical and chemical conditions.
정적인 상태인 체외 환경(in vitro)에서의 세포배양 과정은 실제 생체 내 환경에서의 세포발달과정과는 많은 차이가 존재한다. 따라서, 체내 환경의 정밀한 모사를 위해서는, 기계적인 자극을 세포에 전달하여 줄 수 있는 동적 세포배양장치가 필수적이다. 하지만 기존의 동적 세포배양장치에는 튜브, 펌프, 모터 등의 비교적 복잡한 장치들을 필요로 하였으며, 전달되는 기계적 자극도 단순한 형태였다. 본 연구에서는 단순한 장치로 구동되는 동적 세포배양장치를 위하여 전기활성고분자(EAP) 구동기를 동력원으로 하는 소형 동적 세포배양장치를 설계하였다. 이 장치는 다양한 기계적 자극을 세포에 전달하는 것이 가능하다.
Neural stem cells (NSCs) have the ability to self-renew and differentiate into multiple nervous system cell types. During embryonic development, the concentrations of soluble biological molecules have a critical role in controlling cell proliferation, migration, differentiation and apoptosis. In an effort to find optimal culture conditions for the generation of desired cell types in vitro, we used a microfluidic chip-generated growth factor gradient system. In the current study, NSCs in the microfluidic device remained healthy during the entire period of cell culture, and proliferated and differentiated in response to the concentration gradient of growth factors (epithermal growth factor and basic fibroblast growth factor). We also showed that overexpression of ASCL1 in NSCs increased neuronal differentiation depending on the concentration gradient of growth factors generated in the microfluidic gradient chip. The microfluidic system allowed us to study concentration-dependent effects of growth factors within a single device, while a traditional system requires multiple independent cultures using fixed growth factor concentrations. Our study suggests that the microfluidic gradient-generating chip is a powerful tool for determining the optimal culture conditions.
Kim, Youn-Kyu;Park, Seul-Hyun;Lee, Joo-Hee;Choi, Gi-Hyuk
Journal of Astronomy and Space Sciences
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제32권1호
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pp.81-89
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2015
In this paper, we describe the development of a bioreactor for a cell-culture experiment on the International Space Station (ISS). The bioreactor is an experimental device for culturing mouse muscle cells in a microgravity environment. The purpose of the experiment was to assess the impact of microgravity on the muscles to address the possibility of long-term human residence in space. After investigation of previously developed bioreactors, and analysis of the requirements for microgravity cell culture experiments, a bioreactor design is herein proposed that is able to automatically culture 32 samples simultaneously. This reactor design is capable of automatic control of temperature, humidity, and culture-medium injection rate; and satisfies the interface requirements of the ISS. Since bioreactors are vulnerable to cell contamination, the medium-circulation modules were designed to be a completely replaceable, in order to reuse the bioreactor after each experiment. The bioreactor control system is designed to circulate culture media to 32 culture chambers at a maximum speed of 1 ml/min, to maintain the temperature of the reactor at $36{\pm}1^{\circ}C$, and to keep the relative humidity of the reactor above 70%. Because bubbles in the culture media negatively affect cell culture, a de-bubbler unit was provided to eliminate such bubbles. A working model of the reactor was built according to the new design, to verify its performance, and was used to perform a cell culture experiment that confirmed the feasibility of this device.
It is reported that mechanical stimulation takes a role in improving cell growth in skeletal system. And various research groups have showed that developed bioreactor to stimulate cell-seeded and threedimensional scaffold. In this study, we designed a custom-made bioreactor capable of applying controlled compression to cell-seeded agarose gel. This device consisted of a circulation system and compression system. In circular system, culture chamber was sealed for prohibiting contamination and media solution was circulated by pump. In compression system, mechanical stimuli were controlled by LabVIEW software and mechanical transfer system. Cell-encapsulated agarose gels were cultured for up to 7 days. There were significant differences between the number of cells grown in dynamic cell culture and in static cell culture from 3 days to 7 days.
하이브리도마 세포를 고농도 배양하기 위하여 세포 침전장치를 고안하여 사용하였다. 위로 올라갈수록 직경이 넓어지는 침전조는 세포의 침전이 잘 일어나지만 침전된 세포가 침전조 벽에 누적되는 결점을 보였고, 아래 위의 직경이 균일한 침전조는 희석율이 높아질수록 유출되는 세포가 증가하는 문제점을 나타내었다. 특히 유출되는 세포속에는 dead cell 보다 viable cell의 비율이 높아 배양기 내의 dead cell이 급격히 농축되는 현상을 보였다. 그러나 침전조를 적절히 고안하여 세포 누적 현상을 막고 동시에 세포 유출을 완화시킬 경우 세포농도 $5{\times}10^6$ cells/ ml에서 일주일간 배양이 가능했다. cell viability의 측정이 용이하므로 침전조를 이용한 하이브리도마 고농도 배양의 특성을 연구하는데 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
Deficiencies in the early ADMET(absorption, distribution, metabolism, elimination and toxicity) information on drug candidate extract a significant economic penalty on pharmaceutical firms. Microscale cell culture analogue-microscale gastrointestinal(${\mu}CCA-{\mu}GI$) device using Caco 2, L2 and HEp G2/C3A cells, which mimic metabolic process after absorption occurring in humans was used to investigate the toxicity of the model chemical, acetaminophen(AAP). The toxicity of acetaminophen determined after induction of CYP 1A1/2 in Caco 2 cells was not significant. In a coculture system, although no significant reduction in viability of HEp G2/C3A and L2 cells was found, approximately 5 fold increase in the CYP 1A1/2 activity was observed. These results appear to be related to organ-organ interaction. The oral administration of a drug requires addition of the absorption process through small intestine to the current ${\mu}CCA$ device. Therefore, a perfusion coculture system was employed for the evaluation of the absolution across the small intestine and resulting toxicity in the liver and lung. This system give comprehensive and physiologic information on oral uptake and resulting toxicity as in the body. The current ${\mu}CCA$ device can be used to demonstrate the toxic effect due to organ to organ interaction after oral administration,
We have developed a fluorescence optical detection system using a digital micromirror device (DMD) for monitoring 3D cell culture matrices in situ. Full 3D imaging with fast scanning speed was implemented by the combined action of a DMD and a motorized stage. Imaging results with fluorescent microbeads measure the minimum axial resolution of the system as $6.3{\mu}m$, while full 1-mm scanning through 3D alginate-based matrix was demonstrated. For cell imaging, improved images were obtained by removing background fluorescence although the scanning distance was reduced because of low intracellular fluorescence efficiency. The system is expected to be useful to study various dynamics and behaviors of 3-dimensionally cultured cells in microfluidic systems.
We have developed a fully automated high throughput drug screening (HTDS) system based on the microfluidic cell culture array to perform combinational chemotherapy. This system has 64 individually addressable cell culture chambers where the sequential combinatorial concentrations of two different drugs can be generated by two microfluidic diffusive mixers. Each diffusive mixer has two integrated micropumps connected to the media and the drug reservoirs respectively for generating the desired combination without the need for any extra equipment to perfuse the solution such as syringe pumps. The cell array is periodically exposed to the drug combination with the programmed LabVIEW system during a couple of days without extra handling after seeding the cells into the microfluidic device and also, this device does not require the continuous generation of solutions compared to the previous systems. Therefore, the total amount of drug being consumed per experiment is less than a few hundred micro liters in each reservoir. The utility of this system is demonstrated through investigating the viability of the prostate cancer PC3 cell line with the combinational treatments of curcumin and tumor necrosis factor-alpha related apoptosis inducing ligand (TRAIL). Our results suggest that the system can be used for screening and optimizing drug combination with a small amount of reagent for combinatorial chemotherapy against cancer cells.
Aggregates of specific cells are often regarded as better from in artificial organs and mammalian cell bioreactors in terms of cell-specific functionality. In this study, the morphology and liver specific functions of freshly harvested primary rat hepatocytes, which were cultivated as spheroids and entrapped in a synthetic thermo-reversible extracellular matrix, were examined and compared to a control (hepatocytes in single cell form). A copolymer of N-isopropylacrylamide(98 mole % in feed) and acrylic acid (poly (NiPAAm-co-AAC)), a thermo- reversible copolymer gel ma- trix, was used to entrap hepatocytes either in spheroids or single cells. During a 7-day culture pe-riod, the spheroids maintained higher viability and produced albumin and urea at a relatively con-stant rate, while, the single cell culture showed a slight increase in cell numbers and a reduction in albumin secretion Hepatocytes cultrured as spheroids present a potentially useful three-dimensional cell culture system for application in bioartificial liver device.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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