Abstract 

Lack of clinical relevance is assumed to be the main reason behind the high failure rate of medical drugs in the very initial phases of clinical trials. Clinical relevance is difficult to achieve with current tools as they lack the biological and physiological cues found in vivo. Microfluidics, the knowledge of fluid manipulation in small channels, has proven to be a promising science to bridge the gap between the current in vitro and the real in vivo features. In this thesis, a scaffold for the growth of spheroids inside a microfluidic device for potential drug screening was developed. Firstly, the surface of a microfluidic device was coated with the polymers cellulose nanofibrils, polyallylamine hydrochloride, and polyethyleneimine using the Layer-by-Layer technique to achieve an even surface coverage. Here, different chip designs, polymer concentrations, and pressure directions were tested. It was decided that using a negative pressure direction with a polymer concentration of 50 mg/L in a chip design with micropillars was optimal and these conditions were then used for testing the spheroid formation. Secondly, spheroids were grown inside the microfluidic channels using different coatings: the previously mentioned polymer buildup, one non-coated channel, and one coated with attachment factor proteins. These three surface conditions were compared and it was shown that the polymer-based surface cover was indeed superior as a scaffold as it encouraged and promoted cell growth in the spheroid formation of liver cancer cells from the HepG2 cell line. Further development of this cellulose nanofibrils-coated microfluidic device displays a promising future for functioning as an in vitro 3D cell culture model that better mimics the close-to-cell microenvironments by imitating cell proliferation, cell-to-cell, and cell-to-extracellular matrix interactions. 

Sammanfattning

Den främsta orsaken bakom den höga antal misslyckade kliniska läkemedelsprövningar i de initiala faserna antas bero på brist på klinisk relevans. Klinisk relevans är mycket svår att uppnå med dagens verktyg då de saknar de biologiska och fysiologiska förhållandena som återfinns in vivo. Mikrofluidik, kunskapen om vätskemanipulation i små kanaler har visat sig vara lovande vetenskap för att överbrygga klyftan mellan de nuvarande in vitro och de faktiska in vivo funktionerna. I detta arbete utvecklades en matris för sfäroider att växa på inuti en mikrofluidisk kanal för att potentiellt användas till läkemedelsscreening. Först användes Layer-by-Layer teknologi för att jämnt betäckta ytan inuti en mikrofluidisk kanal med polymererna cellulosananofibriller, polyallylamin hydroklorid samt polyetylenimin. Här testades olika designer på mikrofluidiska chip, polymerkoncentrationer samt tryckriktningar. Utifrån detta gick det att fastställa att negativt tryck med en polymerkoncentration på 50 mg/L i en chippdesign med mikropelare var optimal för en jämn ytbetäckning och dessa förhållanden användes sedan för att pröva sfäroidernas tillväxt. Härnäst testades därmed sfäroidernas tillväxt inuti mikrofluidiska kanaler under tre olika förhållanden: ett med polymerbetäckningen, ett utan betäckning och ett då ytan var täckt med proteiner med fästfaktorer. Dessa tre förhållanden jämfördes sedan med varandra och således gick det att konstatera att den polymerbaseradebetäckningen fungerade överlägset som matris för tillväxt av HepG2 lever cancer cell sfäroider eftersom den tycks främja dess tillväxt och bildning. Det pekar mot att ytterligare utveckling av denna cellulostäckta yta skulle innebära en lovande modell för in vitro 3D cellodling som bättre efterliknar den cellulära mikromiljön genom att imitera cellproliferation, interaktioner celler emellan samt mellan cell och extracellulär matrisen.