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ibidi科普大講堂|細(xì)胞灌流培養(yǎng)（流體剪切力下細(xì)胞培養(yǎng)）基礎(chǔ)知識
一、為什么要流動狀態(tài)下進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)？
1. 流體剪切力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)背景
液體是所有生物的重要組成部分。許多細(xì)胞類型被運(yùn)動的液體所包圍。例如:
* 形成血管內(nèi)層的血管內(nèi)皮細(xì)胞，
* 形成**管內(nèi)層的**管內(nèi)皮細(xì)胞，
* 腎和肺的上皮細(xì)胞。
這種液體流動會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，這是一種以多種方式影響細(xì)胞形態(tài)和行為的機(jī)械力。在許多標(biāo)準(zhǔn)中體外實(shí)驗(yàn)中，細(xì)胞是在無流培養(yǎng)的。在這些靜態(tài)條件下，不能考慮剪切應(yīng)力相關(guān)的細(xì)胞變化。相比之下，在流動條件下的體外細(xì)胞培養(yǎng)模擬了這種機(jī)械刺激，并誘導(dǎo)了一種更生理的、類似于體內(nèi)的行為。當(dāng)使用生物流體系統(tǒng)中的細(xì)胞(如內(nèi)皮細(xì)胞或上皮細(xì)胞)時，在流動條件下工作尤其重要。
血管中的內(nèi)皮細(xì)胞(上)處于持續(xù)流動狀態(tài)。使用流動下的體外細(xì)胞培養(yǎng)（下），可以模擬這些生理?xiàng)l件。
2、流動/剪切應(yīng)力對細(xì)胞的影響
剪切應(yīng)力是由液體對頂端細(xì)胞膜的摩擦引起的機(jī)械力。在體內(nèi)，一些貼壁細(xì)胞類型暴露于生物流體系統(tǒng)中的機(jī)械剪切應(yīng)力，如血液和**管或腎單位。這種機(jī)械刺激對細(xì)胞的生理行為和粘附特性有很大的影響。細(xì)胞通過改變離子通道激活、基因表達(dá)和整個細(xì)胞層的重組來對剪切力做出反應(yīng)。
剪切應(yīng)力的測量單位是達(dá)因/平方厘米(dyn/cm2)。生理剪切應(yīng)力值的范圍從0.5到120 dyn/cm，且取決于血管類型(例如，動脈或靜脈)、組織(例如，腦、結(jié)締組織或心臟)和生物體的大小(例如，小鼠、大鼠或人類)。
人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)流動條件(20 dyn/cm2)下，在μ-Slide I 0.4Luer中培養(yǎng)超過9天。原代細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)前24小時用腺病毒LifeAct載體轉(zhuǎn)導(dǎo)。
二、不同類型的流動簡要介紹
在不同的組織和環(huán)境中會出現(xiàn)幾種具有特定特征的流體類型?；旧?，流動類型可細(xì)分為層流和湍流:
1.層流
層流被定義為沒有湍流的液體運(yùn)動。 流體在平行的層中流動，它們之間沒有中斷。 層流可以細(xì)分為以下幾種：
?單向?qū)恿?/span>
?脈動層流
?振蕩層流
層流剖面圖。箭頭代表速度的分布。
1）單向?qū)恿?/strong>
在大多數(shù)小的健康生物血管中，例如小動脈和靜脈中會遇到單向?qū)恿鳌?在體內(nèi)某些細(xì)胞，例如內(nèi)皮細(xì)胞和腎上皮細(xì)胞，經(jīng)常暴露于流動中。
在實(shí)驗(yàn)上，通過在低壁通道中灌注介質(zhì)，并通過保持流動方向和速度隨時間恒定來實(shí)現(xiàn)單向?qū)恿鳌?
ibidi的解決方案
● ibidi泵系統(tǒng)非常適合創(chuàng)建單向?qū)恿鳌?/strong>
● 推薦使用ibidi μ-Slide I Luer Family 和 μ-Slide VI 0.4 通道載玻片，使用這些通道載玻片，均勻的層流剪切應(yīng)力覆蓋了整個通道區(qū)域，除了通道壁兩側(cè)和儲液池附近的薄帶。這些區(qū)域的寬度與通道的高度成比例。
非均勻?qū)恿?/strong>
單向?qū)恿饕部赡芤圆痪鶆虻哪Ｊ匠霈F(xiàn)。在這種情況下，流動方向是恒定的，而流動速率在空間上橫跨細(xì)胞層變化。在體內(nèi)，不均勻的層流發(fā)生在血管分支部位。 在實(shí)驗(yàn)上，非均勻?qū)恿骷羟袘?yīng)力可以通過特殊的通道幾何形狀來實(shí)現(xiàn)，其在通道內(nèi)的特定位置處產(chǎn)生流速變化。使用這種實(shí)驗(yàn)裝置，可以用單個樣品研究細(xì)胞上的不同剪切應(yīng)力。這是研究不同剪應(yīng)力影響的有效方法。
ibidi的解決方案
ibidi μ-Slide y-shaped 是為研究使用ibidi泵系統(tǒng)的非均勻流動而設(shè)計的。在流動條件下，剪切應(yīng)力水平取決于通道上的區(qū)域：在分支區(qū)域，普遍的剪切應(yīng)力大約是單個直通道區(qū)域的一半。
請注意：實(shí)驗(yàn)上不可能在 μ-Slide y-shaped 中研究湍流。
2）脈動層流
由于心跳引起的波動，在大動脈血管中會遇到脈動層流。在實(shí)驗(yàn)上，這種類型的流動可以通過采用具有周期性變化流速的流動來模擬，同時保持流動方向恒定。
ibidi的解決方案
● ibidi泵系統(tǒng)理想地適用于產(chǎn)生脈動層流。
● ibidi μ-Slide I Luer Family和μ-Slide VI 0.4 通道載玻片可用于脈動層流實(shí)驗(yàn)。
3）振蕩層流
振蕩層流被認(rèn)為是使用流室模擬湍流的一種方法。雖然流動是層流，但沒有主方向，因?yàn)榱鲃臃较蚴嵌ㄆ诟淖兊?例如，每0.5秒)。此外，在閥門切換期間，流量保持恒定。
參考文獻(xiàn)：
A. Sabine, et al. FOXC2 and fluid shear stress stabilize postnatal lymphatic vasculature, The Journal of Clinical Investigation, 2015, 10.1172/JCI80454
ibidi的解決方案
● ibidi泵系統(tǒng)非常適合創(chuàng)建振蕩流動條件。
● ibidi μ-Slide I Luer Family 和 μ-Slide VI 0.4 通道載玻片可用于振蕩層流實(shí)驗(yàn)。
2.湍流
湍流的特點(diǎn)是流速和方向隨時間發(fā)生不可預(yù)測的變化。在體內(nèi)，湍流是罕見的，只能在病理生理過程中發(fā)現(xiàn)。
湍流剖面圖。箭頭表示速度分布。
參考文獻(xiàn)：
T. Hosoya, et al. Differential Responses of the Nrf2-Keap1 System to Laminar and Oscillatory Shear Stresses in Endothelial Cells. J Biol Chem, 2005, 10.1074/jbc.M502551200
ibidi的解決方案
由于物理原因，在使用生理流動狀態(tài)的ibidi流動室中無法實(shí)現(xiàn)湍流。當(dāng)使用流動室時，振蕩層流被認(rèn)為是模擬湍流的一種方法，可使用ibidi泵系統(tǒng)創(chuàng)建。
