MEMS-based Lab-on-chip platform with integrated 3D and planar microelectrodes for organotypic and cell cultures

Description

La presente tesis doctoral se centra en el desarrollo y la validación de plataformas lab on chip (LOC) para su aplicación en el campo de la Biología, la Medicina y la Biomedicina, particularmente relacionados con el cultivo de células y tejidos, así como su tratamiento mediante electroestimulación y su actividad eléctrica. Actualmente, las investigaciones centradas en el desarrollo de LOCs han experimentado un crecimiento considerable, gracias, en gran medida, a la versatilidad que ofrecen. Dicha versatilidad se traduce en numerosas aplicaciones, de las cuales, aquellas relacionadas con la Biología y la Medicina, están alcanzando especial relevancia. La integración de sensores, actuadores, circuitos microfluídicos y circuitos electrónicos en la misma plataforma, permite fabricar sistemas con múltiples aplicaciones. Esta tesis se centra fundamentalmente en el desarrollo de plataformas para el cultivo in vitro de tejidos y células, así como para la monitorización y la interacción con dicho cultivo. Los cultivos in vitro resultan de vital importancia para realizar estudios en células o tejidos, experimentar con medicamentos o estudiar su proliferación y morfología. De esta manera, se cubriría la creciente necesidad de encontrar una alternativa para replicar modelos humanos de enfermedades in vitro para poder desarrollar nuevos fármacos y avanzar en la medicina personalizada. Por tanto, la posibilidad de realizar cultivos de media o larga duración en plataformas que no precisen de un equipamiento costoso como las incubadoras de CO2 y que puedan ser monitorizadas mediante aplicaciones ópticas, supone un salto cualitativo en el desarrollo de los cultivos in vitro. En este contexto, se presenta el trabajo relacionado con esta tesis que ha sido desarrollada dentro del grupo de Microsistemas de la Escuela Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla. La tesis está estructurada de manera que a lo largo de este escrito se da respuesta a los distintos aspectos anteriormente descritos. En primer lugar, se hace una breve introducción a la tecnología MEMS y a los principios básicos de la microfluídica. Dado que este trabajo se ha desarrollado en un ambiente multidisciplinar, esta sección resulta necesaria para dar una visión general a aquellos no familiarizados con esta disciplina. Tras esa introducción se realiza una descripción del estado del arte en el que se encuadra este trabajo, incluyendo los sistemas LoCs, y sus principales aplicaciones en el campo de la Biología, Medicina y Biomedicina, prestando especial atención a las aplicaciones de los LoCs relacionadas con cultivos organotípicos y de células. Tras la introducción y el estado del arte en el que se enmarca la tesis, se explican los resultados obtenidos durante este trabajo. Durante la primera parte, se describe el desarrollo, fabricación y caracterización de un sistema autónomo para el cultivo y electroestimulación de tejidos que integra un lab on PCB (LOP) formado por un array de microelectrodos en 3D (MEA) formado por hilos de oro de 25 µm en sustrato transparente, sensores y actuadores, junto con una plataforma microfluídica fabricada en metacrilato (PMMA) y polidimetilsiloxano (PDMS). El LOP permite mantener las condiciones de temperatura idóneas para llevar a cabo cultivos de media-larga duración sin necesidad de usar incubadoras deCO2 , así como su seguimiento de forma continua a través de un microscopio, gracias al uso de materiales transparentes. Este sistema también incluye una electrónica suplementaria y un programa que permite la monitorización del sistema y la electrostimulación de la muestra biológica. Tras explicar detalladamente el diseño y el novedoso proceso de fabricación del LOP, se presentan los resultados experimentales. En primer lugar, se ha demostrado que es posible desarrollar cultivos organotípicos de retinas de ratón durante más de 7 días, obteniendo resultados muy similares a los conseguidos para las mismas muestras biológicas, pero mediante métodos de cultivo tradicionales. Además, se ha logrado la neuro-protección mediante la electroestimulación de retinas de ratón con la enfermedad de la retinosis pigmentaria, logrando de esta manera ralentizar la degeneración de la muestra debido a la enfermedad. Otra de las aplicaciones que se quiere conseguir con el desarrollo del LOP anteriormente descrito se centra en la adquisición de señales eléctricas procedentes de las muestras biológicas cultivadas en el dispositivo, así como extrapolar su uso a cultivos celulares. Para la adquisición de señales procedentes del cultivo, la impedancia de los electrodos fabricados con hilos de oro de 25 µm ha resultado ser demasiado alta como para discernir entre el ruido base y la actividad eléctrica del cultivo. Por ello, la segunda parte de esta tesis doctoral se centra en la mejora de la MEA para la adquisición de actividad eléctrica. Dado el objetivo marcado en esta segunda parte, durante esta tesis se ha realizado una estancia en la Universidad de Bath. En dicha estancia, se ha caracterizado la actividad eléctrica de células del cáncer de próstata (PC-3), que fueron cultivadas en chips de silicio con electrodos de oro. La experiencia obtenida durante la estancia ha permitido avanzar en el desarrollo y la fabricación de nuevas MEAs para la adquisción de señales eléctricas de cultivos celulares. La primera aproximación para mejorar la MEA se ha realizado sobre PCB. Se trata de un dispositivo compuesto por pilares de oro en 3D fabricados mediante la técnica de Resumen XXV electroplating. Estos electrodos tienen 100 µm de diámetro y una altura de 25 µm que aseguran el contacto en el caso de cultivos de tejidos. Se ha demostrado una mejora significativa, traducida tanto en una impedancia más baja, como en una línea base de ruido menor con respecto a la MEA con hilos de oro. Asimismo, se han obtenido patrones de actividad eléctrica en las células PC-3 muy similares a los obtenidos con el chip de silicio y oro empleado en la estancia. Como mejora de la MEA 3D se ha cambiado el sustrato por otro transparente, como vidrio o PMMA, para permitir su uso en aplicaciones ópticas. Dichas MEAs integran electrodos planares fabricados mediante la técnica de sputtering de oro sobre su superficie. Estas MEAs están en una fase preliminar de desarrollo, y se está probando en primer lugar su biocompatibilidad y viabilidad para el desarrollo de cultivos celulares. Para finalizar, se exponen las conclusiones de esta tesis doctoral, entre las que destacan: el proceso de fabricación del LOP con electrodos de oro y la aplicación del sistema completo para desarrollar cultivos organotípicos, monitorizarlos y aplicar electroestimulación, logrando la neuro-protección de retinas de ratón con la retinosis pigmentaria; la transición hacia el desarrollo de una plataforma para cultivos celulares mejorando la MEA y su fabricación usando diferentes sustratos; la caracterización de la actividad eléctrica de las células PC-3. También se incluyen las líneas de investigación abiertas para continuar lo que se ha empezado en esta tesis doctoral. Para facilitar la comprensión del lector, se adjuntan los apéndices complementarios a esta tesis doctoral.

Abstract

The presented thesis is focused on the development and validation of lab on chip (LOC) platforms for their application on Biology, Medicine and Biomedicine, particularly those related with cells and tissues cultures, as well as their treatment through electrostimulation and their electrical behavior. Nowadays, research works focused on the development of LOCs have significantly increased, mostly thanks to its high versatility, which involves countless applications. Among all this applications, those related with Biology and Medicine are becoming more and more important. The integration of sensors, actuators, microfluidic circuits and electronic circuits in the same platform allows the fabrication of systems with lots of applications. This thesis is focused on the development of platforms for in vitro cultures of cells and tissues, to monitor their behavior and interact with the biological samples. The importance of in vitro cultures lies on the study of cells and tissues proliferation and morphology or performing drug delivery experiments. In this respect, through LOC technologies, it would be possible to model human diseases in vitro, in order to improve the development of new drugs and advance personalized medicine. Thus, the possibility of carrying out medium-long term cultures on platforms without the need of any expensive equipment, such as CO2 incubators, with software and monitoring, implies a qualitative step forward in the development of in vitro cultures. Within this framework, the work related to this thesis is presented. This PhD has been undertaken in the Microsystem group of the High School Engineering of the University of Seville. The structure of this thesis is organized in such a way that, all along the text, the different aspects previously described are explained in detail. Firstly, a brief introduction about MEMS technology and the basic principles of Microfluidics is presented. Due to this work has been developed in a multidisciplinary environment, this section becomes necessary in order to give a wide view to those non XXVII XXVIII Abstract directly familiarized with these fields. Subsequently, a description of the state of the art is presented, including LOC systems and their applications in Biology, Medicine and Biomedicine, taking special attention to those applications related to organotypic and cell cultures. After the introduction and the state of the art of the framework of this thesis, the results obtained are presented. In the first part of this PhD, the development, fabrication and characterization of the autonomous system for culture and electrostimulation of tissues is described. This system includes a lab on PCB (LOP) composed of a 3D microelectrode array (MEA), with gold wires of 25 µm on transparent substrate, sensors and actuators, together with a microfluidic platform made of PMMA and PDMS. This LOP allows to maintain the appropriate temperature conditions to carry out medium-long term cultures without using a CO2 incubator, as well as its continuous monitoring through an inverted microscope, thanks to the transparent materials used for its fabrication. This system is connected to an external electronic circuit and a software to control the whole system, including the electrostimulation of the biological sample. After explaining the design and the innovative fabrication process of the LOP, the experimental results are presented. Firstly, it has been demonstrated the suitability of this system to perform organotypic cultures of mice retinas for longer than 7 days, obtaining similar results to the same samples, but cultured through traditional methods. In addition, it has been provided neuroprotection to mice retinal explants with the retinitis pigmentosa (RP) disease through the electrostimulation of the samples, being able to slowdown the degeneration of the retinas caused by RP.

Abstract

Premio Extraordinario de Doctorado US

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