Micropatterning of Nanoengineered Surfaces to Study Neuronal Cell Attachment in Vitro


Download 0.87 Mb.
Pdf ko'rish
bet7/8
Sana01.10.2017
Hajmi0.87 Mb.
#16919
1   2   3   4   5   6   7   8

a recent study by Lee et al., in which the release of VEGF from

alginate hydrogels was similarly increased by enhanced fluid

pressure during mechanically-induced hydrogel collapse.

15

Therefore, we speculate that the CaM conformational change



promoted collapse of PEG-CaM-PEG-containing hydrogels,

which in turn increased the internal fluid pressure in the

hydrogels and led to an increased VEGF release rate (Fig. 6).

Future applications of these dynamic, protein-based materials

may ultimately optimize network properties to more efficiently

limit protein release in the absence of TFP, with the goal of

creating a material from which protein release can be switched on

or off dependent on the presence and concentration of a specific

biochemical ligand. Specific methods for decreasing the release

rate in the absence of TFP could involve tailoring the initial

hydrogel mesh size by, for example, decreasing molecular weight

between crosslinks or increasing the crosslink density. However,

it is important to note that ultimate application of protein-based,

dynamic materials for growth factor delivery in vivo will also

require a more extensive analysis of the immunogenicity of these

materials in future studies.

The 4 of PEG-CaM-PEG3400 hydrogels also had a substantial

effect on the total amount of VEGF released. Both 10% and

12.5% PEG-CaM-PEG3400 hydrogels released

$100% of their

VEGF in 48 h in the presence of TFP. Alternatively, 15%

hydrogels absorbed the most VEGF but only released

$58% of

their VEGF over 48 h in the presence of TFP (Fig. 5A). To



explain this phenomenon we hypothesize that two distinct

mechanisms control the total amount of VEGF released from

PEG-CaM-PEG3400 hydrogels: (1) The 4 of PEG-CaM-

PEG3400, which modulates the amount of absorbed VEGF via

electrostatic interactions (Fig. 3A–B); and (2) the magnitude of

hydrogel collapse (Fig. 2C), which modulates the internal fluid

pressure and release of VEGF. Therefore, we hypothesize that

although 15% PEG-CaM-PEG3400 hydrogels absorb the most

VEGF through electrostatic interactions (Fig. 3A–B), they also

exhibited the smallest volume collapse (Fig. 2C), which results in

the least amount of total VEGF released (Fig. 5A). As in the case

of pure PEG-CaM-PEG3400 hydrogels, PEG-CaM-PEG3400/

PEGDA3400 hydrogels that could undergo greater dynamic

changes released more total VEGF when exposed to TFP.

However, 9/1% or 7/3% hydrogels were capable of releasing

>85% of their loaded VEGF even in the absence of TFP (Fig. 5B).

The ability of these hydrogels to release nearly 100% their

absorbed VEGF may be indicative of decreased charge-charge

interactions between VEGF and CaM in the hydrogels due to the

inclusion of more synthetic, neutral PEGDA molecules.

In summary, we have developed an adaptable scheme to

synthesize, purify, and assess the activity of polymer–protein

conjugates for construction of dynamic hydrogels. The dynamic

response of these materials is based on a specific biochemical

interaction between a dynamic protein and a soluble ligand,

which provides enhanced specificity when compared to mecha-

nisms commonly used to generate pH-, temperature-, or light-

responsive materials. These hydrogels can be used to modulate

the release of an important, biologically active protein, VEGF.

The approach described here may have broad applicability in

biomedical applications that require controlled protein delivery,

including tissue engineering, bio-microfluidics, and in vivo drug

delivery. In addition, this general mechanism for controlling

network properties could be useful in applications that extend

beyond protein delivery, including biosensing and soft robotics.

There are hundreds of proteins that undergo well-characterized,

dynamic changes in conformation,

35

and these proteins represent



a large library of building blocks for synthesis of dynamic

materials.

Fig. 6

Schematic representation of a swollen PEG-CaM-PEG hydrogel



network loaded with a therapeutic drug (top) and releasing the drug at

a slower rate (bottom left) in its swollen state and faster (bottom right)

rates in response to stimulation with a specific ligand.

2404 | Soft Matter, 2009, 5, 2399–2406

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009



Conclusion

The conformational change of the protein calmodulin upon

ligand binding can be translated into dynamic volume shifts in

a hydrogel network. Specifically, dynamic hydrogels were cre-

ated by synthesizing and purifying PEG-CaM-PEG conju-

gates, and the CaM protein component remained active through

this process. Increasing the 4 of PEG-CaM-PEG3400 networks

or increasing the 4 of PEGDA3400 within PEG-CaM-

PEG3400/PEGDA3400 networks resulted in less dynamic

hydrogels. Importantly, the physiochemical and dynamic

properties of these dynamic, protein-based hydrogel networks

can be used to modulate absorption and dynamic release of

a therapeutic protein, VEGF. The 4 of PEG-CaM-PEG3400 in

hydrogels was linearly related to the amount of VEGF absor-

bed. Release of VEGF from PEG-CaM-PEG3400 hydrogels

was significantly influenced by both the initial concentration of

PEG-CaM-PEG3400 during hydrogel formation and the

dynamic properties of the hydrogels. Importantly, an increased

rate of VEGF release from hydrogels could be triggered at

multiple time points by inducing the CaM conformational

change. This study provides a first demonstration that protein

conformational changes in a hydrogel network can be used as

a mechanism to trigger changes in the release of a therapeutic

protein. The physical parameters found to be important for

modulating VEGF release here may be extended to future

applications of dynamic, protein-based materials in controlled

drug delivery.

Experimental

Synthesis of PEG-CaM-PEG

PEGDA 575 was purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO,

USA). PEG 3400 was purchased from Fisher Scientific (Fair-

lawn, NJ, USA) and hydroxyl end-groups were derivatized with

acrylate groups using a previously described method.

8,23


Trifluoperazine (TFP) and all other reagents (Ellman’s Reagent,

Dithiothreitol (DTT), NaCl, Tris, MES, EDTA, EGTA, and

CaCl

2

) were purchased from Sigma Aldrich or Fisher Scientific.



CaM (T34C, T110C) was recombinantly expressed and puri-

fied as previously described.

21–23

After CaM was purified using



a Phenyl Sepharose column (GE Healthcare, Chalfont St. Giles,

United Kingdom), it was placed in 10,000 MWCO dialysis

tubing (Pierce, Rockford, IL, USA) and dialyzed at 4



C for 24 h



against a solution containing 10 mM Tris and 5 mM CaCl

2

(pH



8.0). CaM was then reacted with 10

 molar excess of PEGDA

for 2.5 h at 37



C in a solution containing 10 mM Tris and 5 mM



CaCl

2

(pH 8.0). The reaction mixture was then cooled to 4





C

and purified using identical conditions to the initial CaM (T34C



T110C) purification, but in the absence of DTT. The collected

fractions of purified PEG-CaM-PEG were pooled and placed in

10,000 MWCO dialysis tubing (Pierce, Rockford, IL, USA) and

dialyzed at 4



C for 24 h against ultrapure H



2

O (18 MU resis-

tivity). Raffinose (1.0 mg/ml) was added to the PEG-CaM-PEG

solution in all cases (except when evaluating the effect of

lyophilization on CaM activity without Raffinose), flash frozen

in liquid N

2

, and lyophilized.



Characterization of PEG-CaM-PEG synthesis

CaM and PEG-CaM-PEG was desalted for analysis using a C18

ZipTip (Millipore, Billerica, MA, USA). The molecular weights

of CaM and PEG-CaM-PEG were evaluated by using a REFLEX

II MALDI-TOF mass spectrometer (Bruker, Billerica, MA,

USA). The purity of CaM and PEG-CaM-PEG conjugates was

evaluated using a HPLC with a C18 analytical column (Shi-

madzu, Kyoto, Japan) with a gradient of 0–90% H

2

O + 0.1%


trifluoroacetic acid (TFA) (Fisher Scientific, Fairlawn, NJ,

USA)/acetonitrile (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) and

a flow rate of 0.9 ml/minute.

Characterization of PEG-CaM-PEG activity

The activity of PEG-CaM-PEG was assessed by adapting a cal-

cineurin activity kit (Biomol International, Plymouth Meeting,

PA, USA). Briefly, the concentration of samples of CaM from

different purification and processing steps were normalized by

first measuring the protein concentration using the MicroBCA

Assay (Pierce, Rockford, IL, USA), then diluting CaM samples

to equal concentrations. The diluted CaM solutions were then

added to a solution containing the enzyme calcineurin and the

RII phosphopeptide a calcineurin substrate. Calmodulin

increases the phosphatase activity of calcineurin which removes

the phosphate group from the RII phosphopeptide. The liber-

ated phosphate in turn complexes with malachite green and

molybdate and forms particles in solution which can be quanti-

fied by measuring absorption of light at 620 nm. The reaction

was stopped by adding the Biomol Green Reagent and the

absorption of light of the samples was compared to a standard

curve of free phosphate. The activity of CaM was calculated by

normalizing the concentration of phosphate liberated by calci-

neurin in the presence of calmodulin from the assay kit to 100%

and the concentration of phosphate of calcineurin in the absence

of CaM was set to 0%.

Hydrogel formation

The ratio of PEG-CaM-PEG to total weighed mass of lyophi-

lized PEG-CaM-PEG samples was determined by dividing the

measured PEG-CaM-PEG from the MicroBCA assay by the

weight of the lyophilized solid. To form hydrogels entirely of

PEG-CaM-PEG, 10–20% (w/v) PEG-CaM-PEG was mixed with

0.05% Irgacure 2959 (Ciba, Basel, Switzerland) photoinitiator in

aqueous buffer (20 mM HEPES, 150 mM NaCl, 10 mM CaCl

2

(pH 7.4)). Hydrogel precursor solutions were cast between two



Sigma Cote treated glass slides with a 1 mm spacer and exposed

to 4 mW/cm

2

, 365 nm UV light for 8 min. In some cases, this



procedure was used to create 10% (w/v) hydrogels using combi-

nations of PEG-CaM-PEG conjugates and PEGDA molecules,

as indicated in the text. After crosslinking, hydrogels were

swollen in aqueous buffer (20 mM MES, 150 mM NaCl, 10 mM

CaCl

2

, pH 6.3).



Characterizing dynamic properties of PEG-CaM-PEG

hydrogels

The dynamic properties of PEG-CaM-PEG hydrogels were

examined by varying (1) the ratio of PEG-CaM-PEG3400/

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009

Soft Matter, 2009, 5, 2399–2406 | 2405


PEGDA3400 and (2) 4 of PEG-CaM-PEG3400. PEG-CaM-

PEG hydrogels were swollen for 24 h and bright field micro-

graphs were obtained using an inverted microscope (Olympus,

Center Valley, PA, USA) controlled by SimplePCI software

(Hamamatsu, Sewickley, PA, USA). Then, hydrogels were

incubated in a solution of 10 mM TFP (20 mM MES, 150 mM

NaCl, 10 mM CaCl

2

(pH 6.3)) for 24 h and micrographs were



acquired again. To remove TFP from the hydrogels they were

first washed in EGTA buffer for 12 h to remove Ca

2+

dependent



ligand binding then incubated in Ca

2+

-containing buffer for 12 h



(20 mM MES, 150 mM NaCl, 10 mM CaCl

2

(pH 6.3)). Images



were analyzed using ImageJ software (Freeware, Bethesda, MD,

USA). The change in volume was calculated by assuming

isotropic expansion and contraction as outlined previously by

Sui et al.

23

The swelling ratio (Q



m

) was calculated by dividing

swollen hydrogel mass by hydrogel mass, measured after

lyophilization.

Absorption and release of VEGF

5 ml PEG-CaM-PEG hydrogels were formed and swelled for 24 h

in Ca

2+

buffer (20 mM MES, 150 mM NaCl, 10 mM CaCl



2

(pH


6.3)). The hydrogels were then incubated for 24 h in a solution of

Ca

2+



buffer with 444 ng/ml VEGF (Invitrogen, Carlsbad, CA,

USA), with 9 ng/ml

125

I-labeled VEGF included as a tracer



(Perkin Elmer, Fremont, CA, USA). VEGF-loaded hydrogels

were then placed in scintillation tubes and their radioactivity was

measured using a Packard Cobra II Gamma Counter (Meriden,

CT, USA). The coefficient of determination R

2

value of VEGF



release was calculated using Microsoft Excel 2007. Hydrogels

were then placed back into 1 ml Ca

2+

buffer that either contained



10 mM TFP (+TFP) or did not contain TFP (

ÀTFP). The buffer

was removed and refreshed after 1, 2, 4, 12, 24, and 48 h. The

radioactivity of the removed buffer was analyzed using the

gamma counter. In one set of experiments, hydrogels were

maintained in TFP-free, Ca

2+

buffer for 24 h and then were



switched to TFP-containing buffer. The buffer in these hydro-

gels, as well as the hydrogels that had never been exposed to TFP,

was refreshed after 1, 2, 4, and 12 h.

Acknowledgements

The authors are grateful to the support by the National Science

Foundation for a Graduate Fellowship to WJK and for

a CAREER award (0745563) to WLM.

References

1 J. L. West and J. A. Hubbell, Reactive Polymers, 1995, 25, 139–147.

2 S. Young, M. Wong, Y. Tabata and A. G. Mikos, Journal of

Controlled Release, 2005, 109, 256–274.

3 H. H. Tonnesen and J. Karlsen, Drug Development and Industrial

Pharmacy, 2002, 28, 621–630.

4 K. S. Anseth, A. T. Metters, S. J. Bryant, P. J. Martens,

J. H. Elisseeff and C. N. Bowman, Journal of Controlled Release,

2002, 78, 199–209.

5 G. M. Eichenbaum, P. F. Kiser, S. A. Simon and D. Needham,

Macromolecules, 1998, 31, 5084–5093.

6 H. Kawaguchi, M. Kawahara, N. Yaguchi, F. Hoshino and

Y. Ohtsuka, Polymer Journal, 1988, 20, 903–909.

7 N. A. Peppas, Y. Huang, M. Torres-Lugo, J. H. Ward and J. Zhang,

Annu. Rev. Biomed. Eng., 2000, 2, 9–29.

8 G. M. Cruise, D. S. Scharp and J. A. Hubbell, Biomaterials, 1998, 19,

1287–1294.

9 F. Gu, B. Amsden and R. Neufeld, J. Control Release, 2004, 96, 463–

472.


10 P. Gupta, K. Vermani and S. Garg, Drug Discov. Today, 2002, 7, 569–

579.


11 E. S. Ron and L. E. Bromberg, Adv. Drug Deliv. Rev., 1998, 31, 197–

221.


12 T. Tanaka, I. Nishio, S. T. Sun and S. Ueno-Nishio, Science, 1982,

218, 467–469.

13 A. Mamada, T. Tanaka, D. Kungwatchakun and M. Irie,

Macromolecules, 1990, 23, 1517–1519.

14 A. Suzuki and T. Tanaka, Nature, 1990, 346, 345–347.

15 K. Y. Lee, M. C. Peters, K. W. Anderson and D. J. Mooney, Nature,

2000, 408, 998–1000.

16 T. Miyata, A. Jikihara, K. Nakamae and A. S. Hoffman, J. Biomat.

Sci.-Polym. E, 2004, 15, 1085–1098.

17 T. Miyata, N. Asami and T. Uragami, Nature, 1999, 399, 766–769.

18 T. Miyata, T. Uragami and K. Nakamae, Adv. Drug Deliv. Rev., 2002,

54, 79–98.

19 S. J. Lee and K. Park, Journal of Molecular Recognition, 1996, 9, 549–

557.


20 M. Ehrbar, R. Schoenmakers, E. H. Christen, M. Fussenegger and

W. Weber, Nat. Mater., 2008, 7, 800–804.

21 W. L. Murphy, W. S. Dillmore, J. Modica and M. Mrksich, Angew.

Chem., Int. Ed. Engl., 2007, 46, 3066–3069.

22 Z. J. Sui, W. J. King and W. L. Murphy, Advanced Materials, 2007,

19, 3377–3380.

23 Z. J. Sui, W. J. King and W. L. Murphy, Advanced Functional

Materials, 2008, 18, 1824–1831.

24 N. Ferrara and W. J. Henzel, Biochem. Biophys. Res. Commun., 1989,

161, 851–858.

25 N. Ferrara, K. Houck, L. Jakeman and D. W. Leung, Endocr. Rev.,

1992, 13, 18–32.

26 M. Yamamoto, Y. Ikada and Y. Tabata, Journal of Biomaterials

Science, Polymer Edition, 2001, 12, 77–88.

27 S. Roe, Protein purification techniques: a practical approach, 2nd edn,

Oxford University Press, Oxford, New York, 2001.

28 C. B. Klee, H. Ren and X. Wang, J. Biol. Chem., 1998, 273, 13367–

13370.


29 Y. Li, T. D. Williams and E. M. Topp, Pharm. Res., 2008, 25, 259–

267.


30 T. R. Soderling, J. Biol. Chem., 1990, 265, 1823–1826.

31 T. R. Soderling, Biotechnol. Appl. Biochem., 1993, 18(2), 185–200.

32 P. J. Flory and J. Rehner Jr., The Journal of Chemical Physics, 1943,

11, 521–526.

33 D. Lafitte, A. J. R. Heck, T. J. Hill, K. Jumel, S. E. Harding and

P. J. Derrick, European Journal of Biochemistry, 1999, 261, 337–

344.

34 S. H. Seeholzer and A. J. Wand, Biochemistry, 1989, 28, 4011–4020.



35 V. Alexandrov, U. Lehnert, N. Echols, D. Milburn, D. Engelman and

M. Gerstein, Protein Sci., 2005, 14, 633–643.

2406 | Soft Matter, 2009, 5, 2399–2406

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009


Microfluidic device for multimodal characterization of pancreatic islets

Javeed Shaikh Mohammed,

a

Yong Wang,



b

Tricia A. Harvat,

b

Jose Oberholzer



ab

and David T. Eddington*

ac

Received 6th June 2008, Accepted 22nd September 2008



First published as an Advance Article on the web 21st October 2008

DOI: 10.1039/b809590f

A microfluidic device to perfuse pancreatic islets while simultaneously characterizing their functionality

through fluorescence imaging of the mitochondrial membrane potential and intracellular calcium

([Ca

2+

]



i

) in addition to enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) quantification of secreted insulin

was developed and characterized. This multimodal characterization of islet function will facilitate rapid

assessment of tissue quality immediately following isolation from donor pancreas and allow more

informed transplantation decisions to be made which may improve transplantation outcomes. The

microfluidic perfusion chamber allows flow rates of up to 1 mL min

À1

, without any noticeable



perturbation or shear of islets. This multimodal quantification was done on both mouse and human

islets. The ability of this simple microfluidic device to detect subtle variations in islet responses in

different functional assays performed in short time-periods demonstrates that the microfluidic

perfusion chamber device can be used as a new gold standard to perform comprehensive islet analysis

and obtain a more meaningful predictive value for islet functionality prior to transplantation into

recipients, which is currently difficult to predict using a single functional assay.

Introduction

Diabetes Mellitus (DM) is a group of metabolic disorders in

which the body does not regulate blood glucose levels properly,

resulting in elevated levels of blood glucose. There are two major

types of DM: Type I and II. Type I DM is an autoimmune

disease which involves the destruction of b-cells (insulin secreting

cells in islets of Langerhans) leading to insulin deficiency.

1

In



Type II DM, insulin (a key regulator of carbohydrate metabo-

lism) is produced but there is insulin resistance in peripheral

tissues (such as adipose and muscle), and at later stages of Type

II DM, insulin secretion is damaged because of glucotoxicity and

lipotoxicity. For Type I DM, maintaining blood glucose levels

under tight control with exogenous insulin injection represents

the most effective way to prevent the onset or to reduce

progression of the chronic complications. Currently, intensive

insulin therapy has shown to reduce most complications associ-

ated with Type I DM patients,

2,3

however, it can never approx-



imate pulsatile insulin secretory patterns

4–7


of the normal b-cell

and comes with risks of major hypoglycemic episodes. Whole

pancreas transplantation is the only therapeutic modality that

can stop the progression of diabetic complications without

increasing the incidence of hypoglycemic events. Unfortunately,

the procedure has a high morbidity and significant mortality

rate.

8

In the year 2000, the Edmonton group reported a series of 7



patients reaching insulin-independence after islet transplantation

from multiple donors using steroid-free, sirolimus based immu-

nosuppression.

51

With the new protocol, islet transplantation



is progressively becoming a promising treatment for Type

I DM with benefits of minimal surgery, less mortality and

morbidity.

9–13


In brief, the donated pancreas from a cadaver is

digested by collagenase and then further purified by continuous

Biocoll gradients. After a short culture period, islets are trans-

planted into the liver via the portal vein system. Currently, prior

to transplantation, the islets are put through a rigorous quality

control to assess their purity, morphology, sterility, pyrogenicity,

viability, and potency (static glucose-stimulation studies).

9,14


However, the standard assays for evaluating islet quality prior to

transplantation such as static glucose incubation and viability

assay provide us with little information about b-cell function and

does not address defects in b-cell morphology, metabolism, and

signaling levels. Transplantation of isolated islets to diabetic

nude mice models has been used as an in vivo model to assess the

islet potency (ability of the transplanted islets to reverse DM).

The time to reverse DM and the proportion of mice in which DM

reverses provides potency of that batch of islets. This potency

information along with glucose tolerance tests allows the effi-

ciency of transplanted islets in the recipient to be predicted, but

in a retrospect manner as the mouse model takes as long as

45 days. Therefore, it is essential to develop a standardized,

accurate, real-time assessment of b-cell function based on b-cell

physiology that can be used as a gold standard for assessing the

functionality of islet preparations post isolation prior to trans-

plantation.

14,15


In this paper we present the design, fabrication,

and testing of a microfluidic device for multiplexing several well-

accepted islet functional assays.

Temporally resolved analysis of the kinetics of insulin secre-

tion, mitochondria potential, and [Ca

2+

]



i

will provide in depth

understanding of the functionality of the islets. While all of these

assays can currently be multiplexed in a 96-well plate, these

experiments rely on static incubation of the islets. The static

analysis of islets can not provide the details on temporal

dynamics of insulin secretion of islets and therefore necessitates

a

Department of Bioengineering, University of Illinois at Chicago, Chicago,



IL, USA

b

Department of Surgery, University of Illinois at Chicago, Chicago, IL,



USA

c

Department of Biopharmaceutical Sciences, University of Illinois at



Chicago, Chicago, IL, USA

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009

Lab Chip, 2009, 9, 97–106 | 97

PAPER

www.rsc.org/loc



| Lab on a Chip

dynamic perfusion of islets to obtain comprehensive information

on the islets. Glucose-dependent islet signaling begins with

uptake of glucose that is rapidly phosphorylated by glucokinase

and converted to pyruvate by the glycolytic pathway, and then

oxidized within the mitochondria by the tricarboxylic acid cycle

and oxidative phosphorylation. Glucose catabolism generates

ATP that consequently closes ATP-sensitive K

+

(K



ATP

) chan-


nels, initiating plasma membrane depolarization, and increases

[Ca


2+

]

i



through the voltage-dependent calcium channel. As

a result, the glucose-stimulated rise in [Ca

2+

]

i



and insulin secre-

tion are tightly coupled.

16

Previous studies



17

in conjunction with

our laboratory observations indicate that mitochondrial damage,

insulin degranulation, and cell surface membrane defects play

key roles in determining human b-cell function and viability. The

glucose-stimulated insulin secretion exhibits a biphasic response,

an initial burst of insulin followed by a sustained basal level of

insulin release. The first phase is characterized by a transient

increase in insulin release that occurs 1–3 minutes after glucose

stimulation and is 3–5 minutes in duration and then the second

phase where insulin secretion decreases to a suprabasal level and

gradually increases as long as the stimulating concentration of

glucose is present. Loss of glucose-stimulated biphasic insulin

secretion of islets has been observed in some diabetic mice

models. Static incubation only provides the information of bulk

insulin secretion (secretory capacity)

9

during the glucose-exposed



period and will not reveal any information on the biphasic

response. As the static glucose assay is currently the gold stan-

dard of islet characterization prior to transplantation, an

incomplete assessment of islet functionality may result in poor

transplantation outcomes.

18

In summary, current standard



assays for evaluating human islet functionality prior to trans-

plantation do not provide adequate information about human

islet function and defects caused by organ procurement, cold

ischemia, and islet isolation process. Therefore, a simple, quick,

and predictable method to evaluate human islets prior to trans-

plantation would prove immensely useful to address these

shortcomings.

Microfluidics offers a practical solution to this unmet clinical

need to rapidly assess islet function.

19

Parallel microchannels



enable multiple experiments to be performed simultaneously and

imaging of cells within the microchannels, which is currently

not possible with commercially available dynamic perfusion

platforms. Additionally, microfluidic delivery of stimulatory

solutions reduces the mechanical perturbation that will reduce

stress to the islets. Microfluidic assessment of islet function has

been previously demonstrated including continuous perfusion

and online electrophoresis immunoassay to study single

20,21

and


multiple (four)

19

mouse islets, for automated sampling,



22

fluo-


rogenic labeling,

18

capillary electrophoresis analysis of islet



proteins,

21,23


and for partially stimulating mouse islets allowing

observation of the NAD(P)H and individual b-cell [Ca

2+

]

i



responses.

7

However, none have aimed to provide a simple device



to characterize the kinetics of insulin secretion through imaging

and collecting the perfusate for off-chip analysis in a platform

designed to plug into the already complex transplantation arena.

While these devices have demonstrated new biological insight

and offer unique advantages not possible with current tech-

niques, they also share complex designs and require expert

users to operate. To successfully deploy a device at multiple

transplantation centers, the device must be simple, robust, user-

friendly, and provide quick, reproducible results that are

predictive of transplant outcome,

15

as a device failure during



a characterization process may lead to discarding potentially

lifesaving donor tissue. We have developed a new device to

simultaneously quantify the mitochondrial potential, [Ca

2+

]



i

and


biphasic response of islets in response to dynamic glucose stim-

ulation to provide a complete assessment of islet function.

9,18

Multimodal islet characterization experiments can be rapidly



preformed within the islet isolation arena to directly assess tissue

function without sacrificing valuable tissue or time. The micro-

fluidic device consists of three layers (one with tiny circular wells,

another with a large circular well, and a layer with rectangular

microchannel) of polydimethylsiloxane (PDMS), and contains

six identical perfusion chambers for assay multiplexing. Fig. 1(a)

contains the cross-sectional and isometric view of a single

perfusion chamber. In each chamber, the bottom-most layer

consists of an array of tiny circular wells that help to gently

immobilize the islets without shielding them from the perfusion

fluids to maximize the amount of islet surface area exposed to

flow. The diameter and depth of the wells are 500 mm and 150

m

m, respectively. Each well is separated from another well by 60



m

m. It has been confirmed that the well design can successfully

immobilize the islets with a size range from 50–500 mm at flow

rate as large as 1 mL min

À1

. Use of high flow rates prevents build



up of high concentrations of insulin within the perfusion

chamber before being washed out.

19

The next layer is a 7 mm



diameter by 3 mm deep circular well that encompasses the array

of the tiny wells. The top-most layer is a rectangular micro-

channel that feeds into the larger well. The channel introduces

the perfusate at one end of the large well and collects it from the

opposite end of the well. The dimensions of the channel are

19 mm


 2 mm Â 500 mm. The height of the channels was chosen

to be 500 mm in order to accommodate the expected largest size

of human islets. The simple design of the perfusion chamber

allows the use of the microfluidic device for multiple experiments

after a simple cleaning procedure with alcohol and DI water;

also, the soft lithography processes used to fabricate the device

facilitate easy replication of devices. The device design leverages

previously proven microfluidic techniques and is in itself not

novel, however, multimodal characterization assays of islet tissue

is a new and exciting application that will have a real and

immediate impact in the transplantation clinic.

Materials and method

Fabrication of the microfluidic device

Fig. 2 depicts the fabrication flow used for the microfluidic

perfusion chamber. Standard SU8 lithography was used to create

the masters for the array of small wells and the rectangular

channels as previously described.

24

Briefly, silicon wafers (3 inch)



were cleaned in acetone, methanol, isopropanol and dried in

a stream of N

2

. The wafer was then exposed to oxygen plasma for



30 s at a power of 425 W (Terra Universal) to oxidize any

remaining organics. Next, SU8 was spun on the cleaned silicon

wafer for 30 s at 2000 rpm (SU8-100) or 1000 rpm (SU8-2150) to

achieve thicknesses of 150 mm and 500 mm, respectively. The

wafer was then exposed and developed to achieve a mold master.

98 | Lab Chip, 2009, 9, 97–106

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009



Device characterization

Fluorescence intensity of perfused solutions was measured over

time across different regions in the perfusion chamber to assess

the ability of the device to switch perfused solutions in the

chamber. DI water was perfused for 30 s, followed by fluorescein

isothiocyanate (2 mM FITC, Sigma, MO) for 60 s, and finally

flushing out the fluorescein with DI water at a flow rate of 1 mL

min


À1

. Images were collected with a high-speed, high-resolution

charge-coupled device (CCD) (Retiga-SRV, Fast 1394, QImag-

ing) and analyzed using image processing software (SlideBook

4.2, Olympus).

Islet isolation and culture

Mouse pancreatic islets were isolated and cultured as previously

described.

25

In brief, the pancreata of 8–10 week-old C57/B6 or



BALB/c (Jackson Laboratory) were perfused with 0.22 mg mL

À1

Collagenase (Sigma, MO) and then digested for 11 min at 37





C.

The digested pancreata were shaken vigorously for 15 s and



further purified through discontinuous Ficoll gradient. The

purified islets were cultured in 95% air and 5% CO

2

at 37




C with


RPMI-1640 medium supplemented with 10% fetal bovine serum.

All procedures were approved by the Animal Care and Use

Committee at the University of Illinois at Chicago.

Human islets were isolated and purified using the standard

Edmonton protocol at the University of Illinois at Chicago

(UIC) following informed consent by donor relatives. The pan-

creata were digested using a modified automated method as

described previously

14,26

and further purified by continuous



gradients on a cell separator (COBE 2991

Ô, COBE Laboratories

Inc, Lakewood, CO) at 4



C and then cultured at 37





C.

Experimental setup for perfusion and imaging



Two multi-syringe infusion pumps (Harvard Apparatus) were

used to supply different solutions at the inlet of each microfluidic

perfusion chamber. One pump was used to supply basal glucose

solution to the perfusion chambers and the other pump was used

to supply either stimulatory glucose, potassium chloride (KCl),

tolbutamide (TB), or alpha-ketoisocaproate (KIC) solutions. All

the input solutions were pre-warmed to 37



C until used. A flow



rate of 1 mL min

À1

was set for both the pumps to achieve adequate



Fig. 1

(a) Design of the microfluidic device and image of the actual device. The schematic depicts the cross-section view and experiment setup (left part)

and the isometric view of a single-chamber of PDMS microfluidic device is shown in the insert image (right part). The device contains three layers.

The bottom layer consists of an array of small circular (150 mm deep, 500 mm diameter) wells that help immobilize the islets exposed to flow. The next

layer is a large circular well (3 mm deep, 7 mm diameter) that encompasses the array of the tiny wells and the top-most layer is a rectangular micro-

channel (500 mm deep, 2 mm wide) that provides access to these wells. (b) Plots of fluorescence intensity versus time across different regions in the

perfusion chamber during the perfusion (flow rate of 1 mL min

À1

) of DI water for 30 s followed by fluorescein isothiocyanate (2 mM FITC) for 60 s, and



finally flushing out the fluorescein with DI water (intensity values are area averages of n

¼ 3 scans at a region of interest).

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009

Lab Chip, 2009, 9, 97–106 | 99


volume for later analysis. Bovine serum albumin is first injected

through the device to coat the channel walls to prevent non-

specific insulin adsorption. All experiments were performed at

37





C. Fig. 1(a) shows the experimental setup used for this work.

Islet loading into the device

The islets are introduced into the access ports in the microfluidic

chamber using a micropipette. For mouse islet experiments 25

islets were introduced into each perfusion chamber and for

human islet experiments 100 islets were introduced. The islets are

introduced from one of the access ports of the perfusion chamber.

Care was taken while introducing the islets into the perfusion

chamber to prevent rupturing of islets. When the microfluidic

device is tilted, the islets roll down along the microchannel

and fall into the large circular well and eventually the islets

(represented by the spheres in Fig. 1(a)) settle down into the

smaller circular wells at the bottom of the large circular well.

After the islets have been introduced into the perfusion chambers,

the inlet and outlet tubing were integrated with the microfluidic

device using connectors. To eliminate any effects of manual

handling, the islets were again perfused with 2 mM basal glucose

solutions for 10–15 minutes before starting any experiments.

Dynamic perfusion of islets

Dynamic glucose stimulation of islets was achieved by exposing

islets to steps in glucose concentrations while collecting the

perfusate for quantifying the amount of secreted insulin using

a standard ELISA kit. The microfluidic perfusion chambers were

loaded with islets and each perfusion chamber was perfused with

2 mM basal glucose solution for 10–15 min prior to the start of

collecting data as described above. After this initial phase 2 mM

basal glucose solution was perfused for an additional 5 min and

stimulatory glucose solution (8 mM, 12 mM, 16.7 mM glucose

solutions in separate channels) for 20 min, followed by 2 mM

basal glucose solution for another 5 min. The perfusate from

each chamber was collected in centrifuge tubes and ELISA assay

was performed.

As islets range from 50–500 mm in diameter, they easily settle in

the 500 mm diameter wells. It was observed that with this device

design, even at a flow rate of 1 mL min

À1

there was no noticeable



perturbation or shear of islets. The islets were stationary for long

periods of time even during switching of fluids at the inlet port of

the perfusion chamber facilitating time-lapse imaging of multiple

islets.


27

Calcium imaging

Dual-wavelength excitation microfluorometry was used to

measure [Ca

2+

]

i



as described previously.

25

Islets were loaded with



5 mM Fura-2/AM (Molecular Probes Inc., Eugene, OR) through

a 25 min incubation at 37



C in Krebs–Ringer buffer (KRB)



solution with 2 mM glucose (KRB2), then loaded into the

microfluidic perfusion device and mounted on an inverted

epifluorescence microscope (IX71, Olympus) equipped with

Fig. 2


Fabrication process flow for the microfluidic perfusion device. Standard SU8 lithography was used to create the masters for the array of small

wells and the rectangular channels. The microfluidic device contains three layers of PDMS.

100 | Lab Chip, 2009, 9, 97–106

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009


a heating stage and perfused by a continuous flow (1 mL min

À1

)



of KRB2 at 37



C (pH 7.4). KRB containing different glucose



concentrations was administered to the islets after rinsing in

KRB2 for 10–15 min. Multiple islets were simultaneously imaged

with 10

–20 objectives. Fura-2 dual-wavelength excitation at



340 and 380 nm (shift in excitation wavelength occurs upon

binding Ca

2+

),

28



and detection of fluorescence emission at 510 nm

was accomplished using an image acquisition and analysis soft-

ware (SlideBook 4.2, Olympus); images were collected with

a high-speed, high-resolution charge-coupled device (Retiga-

SRV, Fast 1394, QImaging). The images were acquired near the

equatorial plane of the islets. As the handpicked islets were of

similar size, the equatorial plane of all the islets being imaged

was approximately the same. All experiments were performed at

37



C. Once the software settings were set for Fura-2 dual exci-



tation imaging, the islets were perfused with KRB2 for 5 min,

14 mM glucose solution for 15 min, KRB2 for another 10 min,

30 mM KCl solution for 10 min and finally with KRB2 for 5 min.

The perfusate was collected for Insulin ELISA.

Mitochondria potential imaging

Rhodamine 123 (Rh123) was used as an indicator of mitochon-

drial membrane potential. Rh123 is a lipophilic cation that

partitions selectively into the negatively-charged mitochondrial

membrane. Hyper-polarization of the mitochondrial membrane

causes uptake of Rh123 into mitochondria and a decrease in

fluorescence due to intermolecular crowding and quenching.

25

Islets were incubated in KRB2 supplemented with 10 mg mL



À1

Rh123 for 20 min at 37



C, then loaded into the microfluidic



perfusion device and mounted on an inverted epifluorescence

microscope equipped with a heating stage and perfused by

a continuous flow (rate 1 mL min

À1

) of KRB2 at 37





C (pH 7.4).

KRB containing different glucose concentrations was adminis-

tered to the islets after rinsing in KRB2 for 10–15 min. Rh123

fluorescence was excited at 540 nm and emission measured at

590 nm. Images were collected with a CCD as described above.

All experiments were performed at 37



C. Once the software



settings were set for Rhodamine 123 imaging, the islets were

perfused with KRB2 for 5 min, next with 14 mM glucose solution

for 15 min, followed by KRB2 for 5 min. The perfusate was

collected for Insulin ELISA.

Insulin ELISA method

The perfusate samples were frozen at

À80



C until quantification



with the ELISA kit. Insulin was measured using Mammalian or

Mice Insulin ELISA (Mercodia AB, Uppsala, Sweden) kits. The

protocol provided by the manufacturer was followed.

Results and discussion

Fig. 1(b) shows the fluorescence intensity of perfused solutions

measured over time across different regions in the perfusion

chamber during the perfusion of DI water and fluorescein solu-

tions. The intensity values are area averages of three different

scans. The intensity changes in the plots clearly illustrate the

ability of the large circular well to completely exchange its

stimulatory solution in approximately two minutes. The fluid

flow within the perfusion chamber is an important factor in

switching fluids with a step change and to provide uniform

concentrations of fluids around the islets.

19

The loading of islets



and the relative position of the islets being imaged within the

perfusion chamber need to be standardized to obtain comparable

results and can be improved in future iterations. After the

characterization of the microfluidic device was done, it was

applied to test different assays with mouse islets.

The glucose-stimulated insulin secretion in islets is coupled to

the metabolic state of the b-cells and involves both glycolytic and

Krebs cycle metabolism.

29

The stimulatory glucose is phos-



phorylated after it enters the cells and undergoes glycolysis

leading to increased metabolic flux and closure of the plasma

membrane-associated ATP-sensitive K

+

(K



ATP

) channels.

29,30

This channel closure in turn depolarizes the membrane leading to



the activation of the voltage-sensitive Ca

2+

channels and



a concomitant rise in [Ca

2+

]



i

, and increased insulin secre-

tion.

6,7,28,29,31–42



Mouse islets were dynamically perfused with

basal and stimulatory glucose solutions and the secreted insulin

profiles are shown in Fig. 3(a). From the plots it is clear that the

microfluidic perfusion device successfully characterizes the

biphasic insulin release profile of mouse islets; an initial sharp

rise followed by a moderate elevation.

16,18,22,28,31,43,44

The mouse

islets show a clear dose-response illustrated with a marked

increase in the insulin secretion with increasing stimulatory

glucose concentrations, and is consistent with previous reports.

25

There is slight delay in the onset of the peak after the islets are



exposed to the stimulatory glucose consistent with previous

results.


18,44

After successfully applying the microfluidic device to perform

dynamic glucose stimulation of mouse islets, the device was

applied to perform simultaneous perfusion and imaging experi-

ments. [Ca

2+

]



i

imaging and insulin secretion analysis of mouse

islets was performed as this correlates to the functional capacity

of the islets.

45

We tracked the whole-islet [Ca



2+

]

i



changes in

multiple islets under basal and stimulatory glucose concentra-

tions, and eventually under KCl stimulation. An absorption shift

in excitation wavelength of Fura-2 loaded in the islets occurs

upon binding of Ca

2+

.



28

High extracellular KCl will collapse and

depolarize the cell membrane leading to opening of voltage-

dependent calcium channels, calcium influx, and eventually

insulin secretion.

46

Fig. 3(b) contains the plot of temporal insulin



secretion of the C57/B6 mice islets superimposed on the plot of

temporal changes in the ratio of fluorescence intensities (340/380

nm) of the islets imaged. Fig. 3(c) contains the plot of temporal

insulin secretion of the BALB/c mice islets superimposed on the

plot of temporal changes in the ratio of fluorescence intensities

(340/380 nm) of the islets imaged. The secondary Ca

2+

oscilla-


tions can be vividly seen in the Fura-2 plot, indicating that the

device can successfully capture finer details of islet functionality.

It is evident from the plots that the 14 mM stimulatory glucose

and 30 mM KCl stimulation correlates to increased insulin

secretion and [Ca

2+

]



i

as expected.

25,45

There is a time lag between



the insulin release and Ca

2+

release and can be ascribed to the



limitations of the current system that will be addressed in future

iterations (random location of islets in the perfusion chamber,

diffusion of insulin, and flow within the chamber).

16

It is



noteworthy that the time lag could partly be attributed to the

time required for the [Ca

2+

]

i



to reach the threshold to trigger

exocytosis.

6,28

Post-stimulation basal levels are very close to the



This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009

Lab Chip, 2009, 9, 97–106 | 101


pre-stimulation basal levels (as expected from the device char-

acterization results), indicating that the stimulatory perfusion

solutions exchanged properly inside the chamber.

In another set of simultaneous imaging and perfusion

experiments, mitochondrial integrity and insulin secretion of

mouse islets was evaluated as this correlates with functional

capacity of the islets.

17

The mitochondrial membrane potential



of b-cells is controlled by the ATP/ADP ratio through the

K

ATP



channel. Under stimulatory glucose, the ratio increases

causing the depolarization of the b-cells and leading to insulin

secretion. Rh123 (a lipophilic cation) partitions selectively into

the negatively-charged mitochondrial membrane and hyper-

polarization of the mitochondrial membrane causes uptake of

Rh123 into mitochondria and a decrease in fluorescence due to

intermolecular crowding and quenching.

25

Fig. 3(d) contains



the plot of temporal insulin secretion of the mouse islets

superimposed on the plot of temporal changes in the fluores-

cence intensity (corresponding to the mitochondrial membrane

potential) of the mouse islets imaged. It is evident from the

plots that the 14 mM stimulatory glucose correlates to increased

insulin secretion and decreased mitochondrial membrane

potential as expected.

25

Here again, the post-stimulation basal



levels are very close to the pre-stimulation basal levels, indi-

cating that the stimulatory perfusion solutions exchanged

properly inside the chamber.

After successful application of the microfluidic device to

perform different assays on mouse islets, the device was applied

to perform assays on human islets. Perfusion experiments were

performed with 100 human islets as opposed to 25 mouse islets

due to the relatively lower secreted insulin levels in human islets

and higher variability of human islet function. Human islets were

dynamically perfused with basal and stimulatory glucose solu-

tions, and the representative secreted insulin profiles for a human

pancreatic isolation batch is shown in Fig. 4(a). It is evident that

the microfluidic perfusion device successfully characterizes the

insulin release profile of human islets in response to step changes

in glucose concentration; similar to the results observed with

mouse islets. The human islets also show a clear dose-response

illustrated with a marked increase in the insulin secretion with

increasing stimulatory glucose concentrations, and is consistent

with the results seen with mouse islets. Here again, a slight delay

in the onset of the peak after the islets are exposed to the stim-

ulatory glucose is seen.

Islets from different human pancreatic isolation batches

have highly variable responses as opposed to more repeatable

Fig. 3


(a) Temporal insulin secretion profiles of mouse islets perfused

with basal and different stimulatory glucose solutions, (b) temporal

insulin secretion and [Ca

2+

]



i

[indicated by Fura-2 ratio of the fluorescence

intensities (340/380 nm)] profiles of C57/B6 mice islets perfused with basal

and stimulatory glucose, KCl solutions, (c) temporal insulin secretion

and [Ca

2+

]



i

[indicated by Fura-2 ratio of the fluorescence intensities (340/

380 nm)] profiles of BALB/c mice islets perfused with basal and stimu-

latory glucose, KCl solutions, (d) temporal insulin secretion and mito-

chondrial membrane potential profiles (indicated by fluorescence

intensity of Rh123) of the mouse islets perfused with basal and different

stimulatory glucose solutions. In all the experiments, 25 mouse islets were

loaded per perfusion chamber. These are results from single representa-

tive experiments with n

¼ 3 replicates at each point for Fura-2 ratios and

Rh123 intensities.

102 | Lab Chip, 2009, 9, 97–106

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009



responses to islets from genetically similar experimental mice.

Therefore, the results for human islets (in response to step

changes in glucose concentration) from different human

pancreatic isolation batches have been summarized in Table 1.

Area under the curve (AUC) for insulin levels under 2 mM basal

glucose (KRB2) followed by stimulation with 8, 12, 16.7 mM

stimulatory glucose, and again under KRB2 in human islets

have been presented separately for different human pancreatic

isolation batches. It is clear from the data in Table 1 that

although there is a distinct difference between basal and stimu-

latory insulin levels in all cases, there is a large batch-to-batch

variability in responses to the different stimulatory glucose

solutions. Also, the dose-response to increasing glucose

concentrations is not the same in all the batches. Another factor

leading to the variability in the response could be due to multiple

sizes of cells or inherent variability in cells.

28

In another set of experiments, response of human islets to



different commonly employed secretagogues (30 mM KCl,

150 mM TB, 10 mM KIC

34

in separate channels) was analyzed



using the microfluidic device. Although these stimuli induce

insulin secretion in islets, the mechanisms are different from the

glucose induced insulin secretion. High extracellular KCl will

collapse and depolarize cell membranes leading to the opening of

voltage-dependent calcium channels, calcium influx, and even-

tually insulin secretion.

46

TB is known as K



+

-ATP channel

blocker

16,25,30,35



that causes the cells to depolarize and raise Ca

2+

levels,



6,36

thereby making the cells secrete insulin.

38

TB is a sul-



phonylurea drug used to treat non-insulin-dependent DM

patients.

6

KIC (mitochondrial fuel)



45

serves as a substrate for

mitochondrial metabolism generating ATP and other signaling

molecules independent of the glycolytic pathway.

5

Human islets



were dynamically perfused with basal and secretagogue solutions

and the representative secreted insulin profiles for a human

pancreatic isolation batch is shown in Fig. 4(b). Our results

clearly demonstrate that the microfluidic device can successfully

characterize different islet physiological functions and produces

repeatable and consistent data with mouse islets.

25,30,34,45

The


results for human islets (in response to step changes in different

secretagogue solutions) from different human pancreatic isola-

tion batches have been summarized in Table 2. AUC for insulin

levels under KRB2 followed by stimulation with 30 mM KCl,

150 mM TB, 10 mM KIC, and again under KRB2 in human islets

have been presented separately for different human pancreatic

isolation batches. It is clear from the data in Table 2 that

although there is a distinct difference between basal and stimu-

latory insulin levels in all cases, there is a large batch-to-batch

variability in responses to the different secretagogue solutions;

similar to the results for human islet responses to step changes in

glucose solutions (Table 1).

The microfluidic device was next applied to perform simul-

taneous perfusion and imaging experiments with human islets.

Representative results for a human pancreatic isolation batch is

shown in Fig. 4(c) that contains the plot of temporal insulin

secretion of the human islets superimposed on the plot of

temporal changes in the ratio of fluorescence intensities (340/

380 nm) of the human islets imaged. It is evident from the plots

that the 14 mM stimulatory glucose and 30 mM KCl stimulation

correlates to increased insulin secretion and [Ca

2+

]



i

as expected

and consistent with mouse islets. The peaks are not as distinct

and not as intense as observed in the case of mouse islets as it is

known that the human islets have a wider range of mitochon-

drial membrane potential and [Ca

2+

]

i



response to glucose as

compared to mouse islets.

6

There is a time lag between the



insulin release and Ca

2+

release and can be ascribed to the



limitations of the current system as previously mentioned. Post-

stimulation basal levels are very close to the pre-stimulation

Fig. 4

(a) Temporal insulin secretion profiles of human islets perfused



with basal and different stimulatory glucose solutions, (b) temporal

insulin secretion profiles of human islets perfused with basal and different

secretagogue (KCl, TB, KIC) solutions, (c) temporal insulin secretion

and [Ca


2+

]

i



[indicated by Fura-2 ratio of the fluorescence intensities (340/

380 nm)] profiles of human islets perfused with basal and stimulatory

glucose, KCl solutions. In all the experiments, 100 human islets were

loaded per perfusion chamber. These are results from single representa-

tive experiments with n

¼ 3 replicates at each point for Fura-2 ratios.

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009

Lab Chip, 2009, 9, 97–106 | 103


basal levels as expected, indicating that the stimulatory perfu-

sion solutions exchanged properly inside the chamber. The

insulin secretion and [Ca

2+

]



i

results for human islets from

different human pancreatic isolation batches have been

summarized in Table 3. AUC for FURA-2 ratio (representing

[Ca

2+

]



i

) and insulin levels under KRB2, next by stimulation with

14 mM stimulatory glucose, under KRB2, followed by stimu-

lation with 30 mM KCl, and finally in KRB2 in human islets

have been presented separately for different human pancreatic

isolation batches. It is evident from the data in Table 3 that

although there is a distinct difference between basal and stim-

ulatory insulin levels in all cases, there is a large batch-to-batch

variability in responses; similar to the previous human islet

results (Table 1 and Table 2).

From the results it is evident that the microfluidic device will

prove very useful in investigating islet physiology and drug

action mechanisms on islets.

22,38


The ability of this simple

microfluidic device to detect subtle variations in islet responses in

different functional assays performed in short time-periods

demonstrates that the microfluidic perfusion chamber device can

be used as a new gold standard to perform comprehensive islet

analysis and obtain a more meaningful predictive value for islet

functionality prior to transplantation into recipients, which is

currently difficult to predict using a single functional assay. The

authors understand that further experiments on multiple human

islet tissue are required to statistically correlate these functional

assays with transplantation outcomes; however the device pre-

sented here provides a simple route to collect this data. All the

biochemical reactions involved in the functional assays utilize

oxygen,


47–50

and the oxygen changes can be measured as oxygen

consumption rate

15

can be used to improve the predictive power



of islet functionality in future iterations. Islet function is

currently being assessed by transplantation of isolated human

islets to diabetic nude mice models. The long term in vivo

transplantation results will be used as a benchmark to correlate

the in vitro functional assay results.

Table 1


Area under the curve (AUC) for insulin levels under 2 mM basal glucose (KRB2) followed by stimulation with 8, 12, 16.7 mM stimulatory

glucose, and again under KRB2 in human islets (100 islets) from different human pancreatic isolation batches. These are results from single repre-

sentative experiments for each isolation batch

Batch no.

AUC-8 mM

AUC-12 mM

AUC-16.7 mM

KRB2


8 mM

KRB2


KRB2

12 mM


KRB2

KRB2


16.7 mM

KRB2


1

0.79


104.10

15.52


38.43

197.20


17.95

1.45


165.20

21.19


2

0.21


188.40

17.07


0.71

201.40


4.71

0.24


193.90

12.65


3

0.13


293.40

1.61


11.42

480.40


35.88

26.70


802.10

24.41


4

0.00


105.00

4.11


1.87

94.17


4.88

0.39


171.60

3.10


5

2.48


101.20

8.83


1.41

360.00


8.07

5.33


420.80

38.14


6

0.17


105.90

7.80


4.70

196.20


14.32

0.32


160.10

23.50


Table 2

Area under the curve (AUC) for insulin levels under 2 mM basal glucose (KRB2) followed by stimulation with 30 mM KCl, 150 mM TB,

10 mM KIC, and again under KRB2 in human islets (100 islets) from different human pancreatic isolation batches. These are results from single

representative experiments for each isolation batch

Batch no.

AUC-30 mM KCl

AUC-150 mM TB

AUC-10 mM KIC

KRB2

KCl


KRB2

KRB2


TB

KRB2


KRB2

KIC


KRB2

2

23.96



370.20

18.38


17.86

42.93


5.38

ND

ND



ND

3

12.33



312.60

13.47


29.03

168.50


9.57

ND

ND



ND

4

31.22



108.00

11.81


0.00

16.07


28.37

7.06


53.37

2.53


5

1.03


440.10

40.36


0.14

167.50


5.58

1.11


145.90

18.70


6

0.85


30.01

0.76


0.17

73.61


7.51

ND

ND



ND

Table 3


Area under the curve (AUC) for FURA-2 ratio (representing [Ca

2+

]



i

) and insulin levels under 2 mM basal glucose (KRB2), next by stimulation

with 14 mM stimulatory glucose, under KRB2, followed by stimulation with 30 mM KCl, and finally in KRB2 in human islets (100 islets). These are

results from single representative experiments for each isolation batch with n

¼ 3 replicates at each point for Fura-2 ratios

Batch no.

AUC-FURA2

AUC-Insulin ELISA

KRB2

14 mM


KRB2

KCl


KRB2

KRB2


14 mM

KRB2


KCl

KRB2


1

0.13


1.80

0.42


1.56

0.14


2.26

82.40


5.28

140.60


29.03

2

0.21



0.65

0.12


1.43

0.08


0.05

40.56


2.54

154.50


2.31

5

0.00



0.17

0.03


0.51

0.05


0.71

89.40


9.41

210.00


0.10

6

0.01



0.35

0.11


0.82

0.27


0.88

375.50


58.06

263.20


3.33

7

0.01



0.16

0.05


0.20

0.03


1.43

125.00


2.18

94.36


7.61

104 | Lab Chip, 2009, 9, 97–106

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009



Conclusions

In conclusion, we have developed a simple microfluidic device

that can provide a comprehensive analysis of the functionality of

islets prior to transplantation. We have successfully demon-

strated that the microfluidic device can be used to perform

multimodal islet functional assays. The different types of anal-

yses that can be performed using this microfluidic device are not

limited to the demonstrations presented in this paper. We intend

to use this microfluidic device as a new gold standard to obtain

an empirical relation between the different results obtained using

multimodal functional assays to predict the islet transplantation

efficiency in a time frame acceptable for the clinic.

Acknowledgements

Support for JO was provided through the National Institutes of

Health Center Grant, ‘‘Chicago Islet Consortium ICR at UIC’’

and by ‘‘The Chicago Project’’. Additional support to DTE was

provided by DARPA through the US Army Research Office

Award (Agreement # W911NF-07-1-0360) and by the Alfred P.

Sloan foundation.

References

1 Y. Okubo, A. Shimada, Y. Kanazawa, T. Shigihara, Y. Oikawa,

T. Imai, J. Miyazaki and H. Itoh, Hyperplastic islets observed in

‘‘reversed’’ NOD mice treated without hematopoietic cells, Diabetes

Res. Clin. Pract., 2008, 79(1), 18–23.

2 Diabetes Control and Complications Trial/Epidemiology of, D.,

Interventions and Complications Research, G., Retinopathy and

nephropathy in patients with type 1 diabetes four years after a trial

of intensive therapy, New Engl. J. Med., 2000, 342(6), 381–389.

3 B. Keymeulen, E. Vandemeulebroucke, A. G. Ziegler, C. Mathieu,

L. Kaufman, G. Hale, F. Gorus, M. Goldman, M. Walter,

S.

Candon,


L.

Schandene,

L.

Crenier,


C.

De

Block,



J. M. Seigneurin, P. De Pauw, D. Pierard, I. Weets, P. Rebello,

P. Bird, E. Berrie, M. Frewin, H. Waldmann, J. F. Bach,

D. Pipeleers and L. Chatenoud, Insulin needs after CD3-antibody

therapy in new-onset type 1 diabetes, New Engl. J. Med., 2005,

352(25), 2598–2608.

4 J. M. Lin, J. Sternesjo, S. Sandler and P. Bergsten, Preserved pulsatile

insulin release from prediabetic mouse islets, Endocrinology, 1999,

140(9), 3999–4004.

5 J. M. Lin, M. E. Fabregat, R. Gomis and P. Bergsten, Pulsatile insulin

release from islets isolated from three subjects with type 2 diabetes,

Diabetes, 2002, 51(4), 988–993.

6 F. Martin and B. Soria, Glucose-induced [Ca2+](i) oscillations in

single human pancreatic islets, Cell Calcium, 1996, 20(5), 409–414.

7 J. V. Rocheleau, G. M. Walker, W. S. Head, O. P. McGuinness and

D. W. Piston, Microfluidic glucose stimulation reveals limited

coordination of intracellular Ca2+ activity oscillations in pancreatic

islets, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2004, 101(35), 12899–12903.

8 A. C. Gruessner and D. E. R. Sutherland, Pancreas transplant

outcomes for United States (US) and non-US cases as reported to

the United Network for Organ Sharing (UNOS) and the

International Pancreas Transplant Registry (IPTR) as of October

2002, Clin. Transpl., 2002, 41–77.

9 K. Inoue and M. Miyamoto, Islet transplantation, J. Hepatobiliary

Pancreat. Surg., 2000, 7(2), 163–77.

10 T. Linn, J. Schmitz, I. Hauck-Schmalenberger, Y. Lai, R. G. Bretzel,

H. Brandhorst and D. Brandhorst, Ischaemia is linked to

inflammation and induction of angiogenesis in pancreatic islets,

Clin. Exptl. Immunol., 2006, 144(2), 179–187.

11 S. Sigrist, A. Mechine-Neuville, K. Mandes, V. Calenda, G. Legeay,

J. P. Bellocq, M. Pinget and L. Kessler, Induction of angiogenesis

in omentum with vascular endothelial growth factor: Influence on

the


viability

of

encapsulated



rat

pancreatic

islets

during


transplantation, Journal of Vascular Research, 2003, 40(4), 359–367.

12 E. S. Fenjves, M. S. Ochoa, C. Gay-Rabinstein, R. D. Molano,

A. Pileggi, A. J. Mendez, L. Inverardi and C. Ricordi, Adenoviral

gene transfer of erythropoietin confers cytoprotection to isolated

pancreatic islets, Transplantation, 2004, 77(1), 13–18.

13 M. K. Reimer, S. P. Mokshagundam, K. Wyler, F. Sundler, B. Ahren

and J. I. Stagner, Local growth factors are beneficial for the

autonomic reinnervation of transplanted islets in rats, Pancreas,

2003, 26(4), 392–397.

14 A. Pileggi, C. Ricordi, N. S. Kenyon, T. Froud, D. A. Baidal,

A. Kahn, G. Selvaggi and R. Alejandro, Twenty years of clinical

islet transplantationat the Diabetes Research Institute–University of

Miami, Clin. Transpl., 2004, 177–204.

15 I. R. Sweet, M. Gilbert, S. Scott, I. Todorov, R. Jensen, I. Nair,

I. Al-Abdullah, J. Rawson, F. Kandeel and K. Ferreri, Glucose-

stimulated increment in oxygen consumption rate as a standardized

test of human islet quality, Am. J. Transplant., 2008, 8, 183–192.

16 P. Gilon, R. M. Shepherd and J. C. Henquin, Oscillations of Secretion

Driven by Oscillations of Cytoplasmic Ca2+ as Evidenced in Single

Pancreatic-Islets, J. Biol. Chem., 1993, 268(30), 22265–22268.

17 P. Maechler, S. Carobbio and B. Rubi, In beta-cells, mitochondria

integrate

and

generate


metabolic

signals


controlling

insulin


secretion, Int. J. Biochem. Cell Biol., 2006, 38(5–6), 696–709.

18 M. G. Roper, J. G. Shackman, G. M. Dahlgren and R. T. Kennedy,

Microfluidic chip for continuous monitoring of hormone secretion

from live cells using an electrophoresis-based immunoassay, Anal.

Chem., 2003, 75(18), 4711–4717.

19 J. F. Dishinger and R. T. Kennedy, Serial immunoassays in parallel

on a microfluidic chip for monitoring hormone secretion from living

cells, Anal. Chem., 2007, 79(3), 947–954.

20 L. Tao, C. A. Aspinwall and R. T. Kennedy, On-line competitive

immunoassay

based

on

capillary



electrophoresis

applied


to

monitoring insulin secretion from single islets of Langerhans,

Electrophoresis, 1998, 19(3), 403–408.

21 L. Tao and R. T. Kennedy, On line competitive immunoassay for

insulin based on capillary electrophoresis with laser induced

fluorescence detection, Anal. Chem., 1996, 68(22), 3899–3906.

22 J. G. Shackman, G. M. Dahlgren, J. L. Peters and R. T. Kennedy,

Perfusion and chemical monitoring of living cells on a microfluidic

chip, Lab Chip, 2005, 5(1), 56–63.

23 C. H. Wu, L. Scampavia and J. Ruzicka, Micro sequential injection:

automated insulin derivatization and separation using a lab-on-valve

capillary electrophoresis system, Analyst, 2003, 128(9), 1123–1130.

24 Y. N. Xia and G. M. Whitesides, Soft lithography, Annu. Rev. Mater.

Sci., 1998, 28, 153–184.

25 J. G. Avila, Y. Wang, B. Barbaro, A. Gangemi, M. Qi, J. Kuechle,

N. Doubleday, M. Doubleday, T. Churchill, P. Salehi, J. Shapiro,

L. H. Philipson, E. Benedetti, J. R. T. Lakey and J. Oberholzer,

Improved outcomes in islet isolation and transplantation by the use

of a novel hemoglobin-based O-2 carrier, Am. J. Transplant., 2006,

6(12), 2861–2870.

26 P. Salehi, M. A. Hansen, J. G. Avila, B. Barbaro, A. Gangemi,

T. Romagnoli, Y. Wang, M. G. Qi, P. Murdock, E. Benedetti

and

J.

Oberholzer,



Human

islet


isolation

outcomes


from

pancreata preserved with histidine-tryptophan ketoglutarate versus

University of Wisconsin solution, Transplantation, 2006, 82(7),

983–985.


27 P. J. Lee, N. C. Helman, W. A. Lim and P. J. Hung, A microfluidic

system for dynamic yeast cell imaging, Biotechniques, 2008, 44(1),

91–5.

28 W. J. Qian, J. L. Peters, G. M. Dahlgren, K. R. Gee and



R. T. Kennedy, Simultaneous monitoring of Zn2+ secretion and

intracellular Ca2+ from islets and islet cells by fluorescence

microscopy, Biotechniques, 2004, 37(6), 922,

À+.


29 G. H. Patterson, S. M. Knobel and D. W. Piston, Separation of the

glucose-stimulated

cytoplasmic

and


mitochondrial

NAD(P)H


responses in pancreatic islet beta cells, Biophys. J., 2000, 78(1),

445A–445A.

30 I.

Franklin,



J.

Gromada,


A.

Gjinovci,

S.

Theander


and

C. B. Wollheim, beta-Cell secretory products activate alpha-cell

ATP-dependent potassium channels to inhibit glucagon release,

Diabetes, 2005, 54(6), 1808–1815.

31 M. Valdeolmillos, A. Nadal, D. Contreras and B. Soria, The

Relationship between Glucose-Induced K(Atp+) Channel Closure

and the Rise in [Ca2+]I in Single-Mouse Pancreatic-Beta-Cells,

J. Physiol.–London, 1992, 455, 173–186.

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009

Lab Chip, 2009, 9, 97–106 | 105


32 M. E. Kimple, J. W. Joseph, C. L. Bailey, P. T. Fueger, I. A. Hendry,

C. B. Newgard and P. J. Casey, G{alpha}z Negatively Regulates

Insulin Secretion and Glucose Clearance, J. Biol. Chem., 2008,

283(8), 4560–7.

33 P. Gilon and J. C. Henquin, Distinct Effects of Glucose on the

Synchronous Oscillations of Insulin Release and Cytoplasmic Ca2

+ Concentration Measured Simultaneously in Single-Mouse Islets,

Endocrinology, 1995, 136(12), 5725–5730.

34 M. J. Macdonald, M. J. Longacre, S. W. Stoker, L. J. Brown,

N. M. Hasan and M. A. Kendrick, Acetoacetate and {beta}-

hydroxybutyrate in combination with other metabolites release

insulin from INS-1 cells and provide clues about pathways in

insulin secretion, Am. J. Physiol. Cell Physiol., 2008, 294(2), C442–50.

35 S.


Nakada,

T.

Ishikawa,



Y.

Yamamoto,

Y.

Kaneko


and

K. Nakayama, Constitutive nitric oxide synthases in rat pancreatic

islets: direct imaging of glucose-induced nitric oxide production in

beta-cells, Pfluegers Arch.–Eur. J. Physiol., 2003, 447(3), 305–311.

36 M. Valdeolmillos, A. Nadal, B. Soria and J. Garciasancho,

Fluorescence Digital Image-Analysis of Glucose-Induced [Ca2+](I)

Oscillations in Mouse Pancreatic-Islets of Langerhans, Diabetes,

1993, 42(8), 1210–1214.

37 M. Trus, R. F. Corkey, R. Nesher, A. M. T. Richard, J. T. Deeney,

B. E. Corkey and D. Atlas, The L-type voltage-gated Ca2+ channel

is the Ca2+ sensor protein of stimulus-secretion coupling in

pancreatic beta cells, Biochemistry, 2007, 46, 14461–14467.

38 S. W. Kim and Y. H. Bae, Visual evidence and quantification of

interaction

of

polymeric



sulfonylurea

with


pancreatic

islet,


Biomacromolecules, 2003, 4(6), 1550–1557.

39 R. N. Kulkarni, M. G. Roper, G. Dahlgren, D. Q. Shih, L. M. Kauri,

J. L. Peters, M. Stoffel and R. T. Kennedy, Islet secretory defect in

insulin receptor substrate 1 null mice is linked with reduced calcium

signaling and expression of sarco(endo)plasmic reticulum Ca

2+

-



ATPase (SERCA)-2b and -3, Diabetes, 2004, 53(6), 1517–1525.

40 Q. Deng, L. M. Kauri, W. J. Qian, G. M. Dahlgren and

R. T. Kennedy, Microscale determination of purines in tissue

samples by capillary liquid chromatography with electrochemical

detection, Analyst, 2003, 128(8), 1013–1018.

41 J. V. Rocheleau, M. S. Remedi, B. Granada, W. S. Head, J. C. Koster,

C. G. Nichols and D. W. Piston, Critical role of gap junction coupled

K-ATP channel activity for regulated insulin secretion, PLoS Biology,

2006, 4, 221–227.

42 M. S. Remedi, J. V. Rocheleau, A. Tong, B. L. Patton,

M. L. McDaniel, D. W. Piston, J. C. Koster and C. G. Nichols,

Hyperinsulinism in mice with heterozygous loss of K-ATP channels,

Diabetologia, 2006, 49, 2368–2378.

43 T. Yada, M. Sakurada, K. Ihida, M. Nakata, F. Murata, A. Arimura

and M. Kikuchi, Pituitary Adenylate-Cyclase Activating Polypeptide

Is an Extraordinarily Potent Intrapancreatic Regulator of Insulin-

Secretion from Islet Beta-Cells, J. Biol. Chem., 1994, 269(2), 1290–

1293.


44 S. Fernandez-Pascual, A. Mukala-Nsengu-Tshibangu, R. M. del Rio

and J. Tamarit-Rodriguez, Conversion into GABA (gamma-

aminobutyric acid) may reduce the capacity of L-glutamine as an

insulin secretagogue, Biochem. J., 2004, 379, 721–729.

45 Y. P. Zhou, S. Sreenan, C. Y. Pan, K. P. M. Currie, V. P. Bindokas,

Y. Horikawa, J. P. Lee, D. Ostrega, N. Ahmed, A. C. Baldwin,

N. J. Cox, A. P. Fox, R. J. Miller, G. I. Bell and K. S. Polonsky, A

48-hour exposure of pancreatic islets to calpain inhibitors impairs

mitochondrial fuel metabolism and the exocytosis of insulin,

Metab., Clin. Exp., 2003, 52(5), 528–534.

46 W. S. Zawalich and K. C. Zawalich, Effects of protein kinase C

inhibitors on insulin secretory responses from rodent pancreatic

islets, Mol. Cell. Endocrinol., 2001, 177(1–2), 95–105.

47 M. Goto, J. Holgersson, M. Kumagai-Braesch and O. Korsgren,

The ADP/ATP ratio: A novel predictive assay for quality

assessment of isolated pancreatic islets, Am. J. Transplant., 2006,

6(10), 2483–2487.

48 K. K. Papas, A. Pisania, H. Wu, G. C. Weir and C. K. Colton, A

stirred microchamber for oxygen consumption rate measurements

with pancreatic islets, Biotechnol. Bioeng., 2007, 98, 1071–1082.

49 C. Fraker, J. Montelongo, J. Szust, A. Khan and C. Ricordi, The use

of multiparametric monitoring during islet cell isolation and culture:

A potential tool for in-process corrections of critical physiological

factors, Cell Transplant., 2004, 13(5), 497–502.

50 B. Armann, M. S. Hanson, E. Hatch, A. Steffen and L. A. Fernandez,

Quantification of basal and stimulated ROS levels as predictors of

islet potency and function, Am. J. Transplant., 2007, 7(1), 38–47.

51 A. M. J. Shapiro, J. R. T. Lakey, E. A. Ryan, G. S. Korbutt, E. Toth,

G. L. Warnock, N. M. Kneteman and R. V. Rajotte, Islet

transplantation in seven patients with type 1 diabetes mellitus using

a glucocorticoid-free immunosuppressive regimen, New Engl. J.

Med., 2000, 343(4), 230–238.

106 | Lab Chip, 2009, 9, 97–106

This journal is

ª The Royal Society of Chemistry 2009


PAPER

www.rsc.org/loc

| Lab on a Chip


Download 0.87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   2   3   4   5   6   7   8




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling