Development of Microfluidic Devices for Investigating Small Molecule Induced Chemotaxis of Dendritic Cells

Abstract

Microfluidics is the core branch of science and technology in which interdisciplinary research is conducted with a low amount of samples in microchannels ranging from 10-100 μm. The main objective of this thesis is to design and fabricate a chemotaxis microfluidic device (CMD) from the poly-methyl methacrylate (PMMA) substrate to analyze the immune cell behavior against cancer cells. The patterns of the three-layered CMD were generated using laser ablation. During the fabrication, Power (P) and Speed (S) values were varied to determine the optimal P-S combination. Then, the structural properties of microfluidic channels in the CMD were examined via microscope. The mechanical properties and liquid handling abilities of CMDs were also investigated through tensile and leakage tests, respectively. Moreover, cell viability of DC2.4 dendritic cells (DCs) and B16-F10 murine melanoma (B16-F10) cells in CMDs sterilized through either autoclaving or UV treatment were determined to test the suitability of CMDs via Live/Dead Assay. The highest cell viability for DCs and B16-F10 was obtained in autoclaved CMDs. For the maturation of DCs before seeding into CMD, DCs were stimulated with lipopolysaccharide (LPS) and Astragaloside VII (AST-VII) at various concentrations. While the cytotoxicity of LPS and AST-VII were determined by the 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide (MTT) assay, the expression levels of specific chemokine receptors were also analyzed through flow cytometry. Lastly, stimulated DCs and B16-F10 were simultaneously cultured in the CMD, and the migratory behavior of DCs against B16-F10 was time-dependently studied. Consequently, CMD that provided cost-effective and rapid analysis of intercellular interactions was successfully developed.

Mikroakışkanlar, 10-100 μm aralığında genişliğe sahip mikrokanallarda, düşük miktarda örneklerle yürütülen, disiplinlerarası araştırmanın yapıldığı temel bir bilim dalıdır. Bu tezin temel amacı, kanser hücrelerine karşı hücresel bağışıklık davranışlarının analiz edilebileceği bir kemotaksis mikroakışkan cihazının (KMC) tasarımı ve poli-metil metakrilat (PMMA) malzemesi kullanılarak üretimidir. Üç katmanlı KMC'nin içerdiği mikroakışkan kanalların desenleri, lazer ablasyon yöntemiyle oluşturulmuştur. Üretim sırasında, en uygun Güç (G) ve Hız (H) değerlerinin belirlenebilmesi için kanal desenleri farklı G ve H değerleri kullanılarak elde edilmiştir. Ardından, KMC'deki mikroakışkan kanalların yapısal özellikleri mikroskop aracılığıyla incelenmiştir. KMC'lerin mekanik özellikleri ve sıvı tutma kapasitesi de sırasıyla çekme ve sızdırma testleri ile belirlenmiştir. Ayrıca, KMC'lerin hücre çalışmalarına uygunluğu, KMC içerisinde kültürlenen DC2.4 dendritik (DC) ve B16F10 murin melanom (B16-F10) hücrelerinin canlılıkları incelenerek belirlenmiştir. En yüksek hücre canlılığı oranları DC ve B16F10 hücreleri için otoklavlanmış KMC'lerde elde edilmiştir. DC'lerin KMC'ye ekilmeden önce olgunlaşması için çeşitli konsantrasyonlarda lipopolisakkarit (LPS) ve Astragalosit VII (AST-VII) kullanılmıştır. LPS ve AST-VII'nin hücreler üzerindeki sitotoksisite değerleri 3-(4,5-dimetiltiazol-2-il)-2,5-difenil-2H-tetrazolyum bromür (MTT) testi ile belirlenirken, dendritik hücrelerin ürettiği spesifik kemokin reseptör seviyeleri de akış sitometrisi ile analiz edilmiştir. Son olarak, uyarılmış DC ve B16-F10 hücreleriyle eş zamanlı olarak KMC içerisinde kültüre edilmiş ve DC'lerin B16F10'a karşı zamana bağlı kemotaksisi gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen KMC ile hücreler arası etkileşimlerin hızlı ve uygun maliyetle analiz edilmesi sağlanmıştır.