Cámara de flujo de placas paralelas

Una cámara de flujo de fluidos de placas paralelas es un modelo de laboratorio (in vitro) que simula las tensiones de cizallamiento del fluido sobre varios tipos de células expuestas a un flujo de fluido dinámico en su entorno fisiológico natural. La respuesta metabólica de las células in vitro está asociada con la tensión de cizallamiento de la pared .

Una cámara de flujo de placas paralelas típica consta de un distribuidor de policarbonato , una junta de silicona y un cubreobjetos de vidrio . El distribuidor, que forma un lado de la cámara, incluye un puerto de entrada, un puerto de salida y una ranura de vacío . El grosor de la junta determina la altura del conducto de flujo. El cubreobjetos de vidrio forma el otro lado de la cámara y puede recubrirse con proteínas de la matriz extracelular (MEC) , células vasculares o biomateriales de interés. El vacío sella estas tres partes y garantiza una altura uniforme del canal. ^{[ 1 ]}

Normalmente, el fluido entra por un lado de la cámara y sale por el opuesto. La placa superior suele ser transparente, mientras que la inferior es una superficie preparada sobre la que se han cultivado las células durante un período predeterminado. El comportamiento celular se observa con un microscopio de luz transmitida o reflejada .

Dentro de la cámara, el flujo de fluido crea esfuerzo cortante (${\displaystyle \tau }$) en la pared de la cámara, y una ecuación típica que describe esta relación en función del caudal , Q, y la altura de la cámara, h, se puede derivar de las ecuaciones de Navier-Stokes y la ecuación de continuidad :

${\displaystyle \rho \left({\frac {\partial V_{x}}{\partial t}}+V_{x}{\frac {\partial V_{x}}{\partial x}}+V_{y}{\frac {\partial V_{x}}{\partial y}}+V_{z}{\frac {\partial V_{x}}{\partial z}}\right)={\frac {\partial P}{\partial x}}+\mu \left({\frac {\partial ^{2}V_{x}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}V_{x}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}V_{x}}{\partial z^{2}}}\right)+\rho g_{x}}$

Con supuestos como fluido newtoniano, incompresible, flujo laminar y condiciones de contorno de no deslizamiento, las ecuaciones de Navier-Stokes se simplifican a:

${\displaystyle -{\frac {\partial P}{\partial x}}=\mu \left({\frac {\partial ^{2}V_{x}}{\partial y^{2}}}\right)}$

Resolver la primera ecuación diferencial proporcionará:

${\displaystyle -{\frac {\partial P}{\partial x}}y=\mu \left({\frac {\partial V_{x}}{\partial y}}\right)+C}$

Al resolver la segunda ecuación diferencial para la condición de contorno de no deslizamiento, el perfil de velocidad viene dado por:

${\displaystyle V_{x}={\frac {1}{2\mu }}{\frac {\partial P}{\partial x}}(H^{2}-y^{2})}$

Esto se puede utilizar entonces en la ecuación de continuidad que establece:

${\displaystyle Q=\int \int _{A}V_{x}dA=W\int _{-H}^{H}{\frac {1}{2\mu }}{\frac {\partial P}{\partial x}}(H^{2}-y^{2})dy}$

Al resolver esta integral se obtendrá como resultado:

${\displaystyle Q={\frac {2WH^{3}}{3\mu }}{\frac {\partial P}{\partial x}}}$

Al resolver la ecuación para el cambio de presión e introducirla en la primera ecuación diferencial, se puede calcular el esfuerzo cortante para la cámara de flujo de placas paralelas.

${\displaystyle \tau =-\mu {\frac {\partial V_{x}}{\partial y}}={\frac {\partial P}{\partial x}}H={\frac {3Q\mu }{2WH^{2}}}}$

Donde μ es la viscosidad dinámica y w el ancho de la cámara de flujo. En estos métodos, se supone que las tensiones de corte ejercidas sobre las células son aproximadamente iguales a las tensiones de corte de la pared de la cámara, ya que la altura de la célula es aproximadamente dos órdenes de magnitud menor que la de la cámara.

La cámara de flujo de placas paralelas, en su diseño original, es capaz de producir una tensión cortante en la pared bien definida en el rango fisiológico de 0,01 a 30 dyn/cm² ^{. La tensión cortante se genera haciendo fluir un fluido (por ejemplo,} sangre entera anticoagulada o suspensiones de células aisladas) a través de la cámara sobre el sustrato inmovilizado bajo condiciones cinemáticas controladas mediante una bomba de jeringa . Las ventajas de la cámara de flujo de placas paralelas son:

1. Permite estudiar los efectos de la tensión de corte constante sobre las células durante un período de tiempo definido.

2. El dispositivo es sencillo en su diseño, montaje y funcionamiento.

3. Las células se pueden cultivar en condiciones de flujo y se pueden observar bajo un microscopio o visualizar en tiempo real, utilizando microscopía de vídeo. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El diseño inicial de la cámara de flujo paralelo se basa en el descrito por Hochmuth y colaboradores para el estudio de los glóbulos rojos. La cámara de flujo de placas paralelas fue utilizada en estudios iniciales sobre neutrófilos por Wikinson et al. y Forrestor et al. para estudiar su característica adhesiva sobre proteínas plasmáticas absorbidas . Lawrence et al. describieron uno de los primeros ensayos con cámara de flujo paralelo para estudiar la adhesión de neutrófilos al endotelio . Desde estos estudios iniciales, numerosos investigadores han utilizado la cámara de flujo de placas paralelas y versiones modificadas de la misma para examinar la dinámica de la adhesión de neutrófilos a diversos sustratos, incluyendo células endoteliales , plaquetas , leucocitos , líneas celulares transfectadas y moléculas purificadas . ^{[ 4 ]}

La cámara de flujo de placas paralelas es un equipo ampliamente utilizado para estudiar la mecánica celular en el laboratorio. Muchos investigadores han utilizado cámaras de flujo de placas paralelas para investigar la adhesión dinámica entre leucocitos (glóbulos blancos) y células endoteliales (células que recubren los vasos sanguíneos) bajo una tensión de cizallamiento definida. ^{[ 5 ]} En particular, se han realizado algunos estudios para estudiar las interacciones receptor-ligando de los leucocitos. ^{[ 6 ]} Se cree que las interacciones entre los receptores celulares (selectinas y/o integrinas) y sus ligandos median el rodamiento y desempeñan un papel importante en la adhesión de los leucocitos. ^{[ 7 ]} Además, muchos investigadores han utilizado cámaras de flujo de placas paralelas para proporcionar tensión de cizallamiento y simular el entorno de crecimiento de las células cancerosas fuera del cuerpo. ^{[ 8 ]} Es una herramienta versátil para comprender los mecanismos de proliferación, adhesión y metástasis de las células cancerosas. Las cámaras de flujo de placas paralelas también se utilizan ampliamente para pruebas de fármacos en el ensayo de quimiotaxis celular ^{[ 9 ]} y para nuevos sistemas de administración de fármacos dirigidos basados ​​en procesos de adhesión leucocito-endotelio.