DESENVOLVIMENTO IN SILICO DE DISPOSITIVOS MICROFLUÍDICOS PARA A TRIAGEM DE NANOFÁRMACOS UTILIZANDO COMO MODELO ESFEROIDES CELULARES
Desenvolver sistemas microfisiológicos é indispensável para melhorar a previsibilidade e acurácia no desenvolvimento de fármacos. Dispositivos microfluídicos podem integrar cultivos celulares 3D, a fim de criar microambientes fisiologicamente relevantes que podem ser utilizados como modelos in vitro avançados para estudos biológicos. No presente trabalho, um estudo in silico foi conduzido para criar uma plataforma microfluídica capaz de gerar gradientes de concentração para triagem de medicamentos, especialmente nanofármacos. Esta plataforma contém uma região de geração de gradiente de concentração e uma de cultivo celular. A primeira região foi desenvolvida com uma rede de microcanais em formato de "árvore de natal", tal que dois compostos dos canais de entrada gradualmente se difundem um no outro por meio de bifurcações sucessivas. Esta região é sucedida por cinco microcâmaras, onde os esferoides celulares serão localizados. Dentro desta plataforma, é possível testar diversos compostos diretamente em esferoides teciduais. Simulações numéricas foram obtidas utilizando o software Comsol Multiphysics. Os resultados obtidos foram capazes de descrever perfis de velocidade, pressão e concentração dentro do dispositivo. A magnitude da velocidade de fluxo apresentou maior intensidade no início dos microcanais, seguida por gradual redução. O processo de mistura provocado pela advecção caótica nos micromisturadores apresentou-se suficiente para misturar dois compostos, apesar da mudança no valor de Re. Foi demonstrado que o dispositivo gera concentrações com valores definidos iguais a 0, 0.20, 0.50, 0.76 e 1 mol/m³. Portanto, a plataforma proposta pode ser utilizada para o aperfeiçoamento da descoberta de medicamentos. Os próximos experimentos visam explorar a geometria microfluídica apresentada neste projeto em ensaios biológicos, a fim de avaliar a interação de diferentes sistemas de entrega de fármacos nanoestruturados associados a esferoides celulares para aplicações biomédicas in vitro.
DESENVOLVIMENTO IN SILICO DE DISPOSITIVOS MICROFLUÍDICOS PARA A TRIAGEM DE NANOFÁRMACOS UTILIZANDO COMO MODELO ESFEROIDES CELULARES
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DOI: https://doi.org/10.22533/at.ed.5072112076
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Palavras-chave: Modelagem computacional; órgão-on-chip; Nanobiotecnologia; Cultivo celular 3D, esferoides celulares
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Keywords: Computational modeling; Organ-on-chip; Bionanotechnology; 3D cell culture; Cellular spheroids
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Abstract:
To engineer biochip platforms is mandatory to enhance the predictability and accuracy in drug development. Microfluidic devices can be integrated into 3D cell cultures to create physiological relevant microenvironments that can be used as advanced in vitro models for efficient biological cell studies. In the present work, an in silico study was conducted to create a microfluidic platform capable of generating concentration gradients for the screening of new drugs, specially nanopharmaceuticals. This platform contains two main regions: the first one generates concentration gradients, whilst the second region allocates tissue spheroids. The first region is designed with a tree-shaped microchannel network, where two compounds from the inlet channels gradually diffuse into each other through bifurcation channels. This region is then followed by five microchambers on which the tissue spheroids are located. Within this platform, one is able to test several compounds directly into tissue spheroids. The numerical simulations were obtained using the software Comsol Multiphysics. The results obtained were capable of describing the velocity, pressure and concentration profiles inside the microfluidic device. The flow velocity magnitude showed higher intensity in the beginning of the microchannel, followed by gradual decrease. The mixing process caused by chaotic advection in the micromixers showed to be suitable to mix the two compounds, despite the change in Re. It was shown that the device generates mixtures with defined values equal to 0, 0.2, 0.5, 0.76 and 1 mol/m³. Therefore, the proposed platform may be used for the improvement of drug discovery. The next experiments aim to explore the microfluidic geometry presented herein in biological assays to evaluate the interactions of different nanostructured drug delivery systems with cell spheroids for in vitro biomedical applicabilities.
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Número de páginas: 15
- João P. D. Ferreira
- Gabriel V. Oliveira
- Letícia E. Charelli
- Tiago Albertini Balbino
