Contactless and real-time determination of oxygen in a microfluidic device dedicated to C. elegans culture

The nematode C. elegans is currently emerging as an excellent animal model for biomedical research, thanks to the several experimental advantages that it provides. It has also offered the opportunity of studying metabolism at a systemic level, helping to understand mitochondria activity, closely related to aging process and to several diseases. Many assays have been developed in this direction and different phenotypic read-outs have been used to quantify its metabolism, but the most complete one is the total oxygen consumption rate (OCR) of the organism, expression of the many sequential reactions happening within mithocondria. At the same time, the advent of microfluidics has completely revolutionized the research on C. elegans, by creating small culture environments in which it is possible to perform operations, experiments or screenings that would be laborious and not reproducible with traditional and manual techniques. The main aim of this work is to design and fabricate a gas-impermeable microfluidic device that allows a C. elegans culture, while continuously measuring their oxygen consumption through an integrated optical sensor. After showing that the design allowed to retain adult worms in the culture environment, we optimized a fluidic protocol to feed them and to periodically remove larvae and eggs, maintaining stable measurement conditions. Afterwards, we measured the oxygen consumption rate of C. elegans at the first day of the adult life stage (D1), both in basal conditions and under the effect of FCCP and sodium azide, two chemical compounds that increase and inhibit respiration, respectively. Such a microfluidic device would tremendously help understanding the mechanisms behind worms respiration and metabolism both in basal conditions and upon drug treatments, with several and important implications in biomedical research.

Il nematode C. elegans si sta attualmente affermando come un eccellente modello animale nell’ambito della ricerca biomedica, grazie ai numerosi vantaggi sperimentali che offre. Negli ultimi anni, molti ricercatori hanno cercato di comprenderne l’attività mitocondriale, strettamente correlata al processo di invecchiamento e a diverse malattie, cercando di usare numerosi indici fenotipici per quantificarne il metabolismo. Il più completo di tutti rimane comunque il consumo di ossigeno dell'intero organismo (Oxygen Consumption Rate - OCR), espressione delle numerose reazioni che avvengono a livello mitocondriale. Allo stesso tempo, l'avvento della microfluidica ha completamente rivoluzionato la ricerca sui C. elegans, permettendo di creare piccoli ambienti di coltura in cui è possibile eseguire operazioni, esperimenti o screening che con le tecniche tradizionali e manuali sarebbero laboriosi e scarsamente riproducibili. Lo scopo principale di questo lavoro è quello di progettare e fabbricare un dispositivo microfluidico impermeabilizzato che consenta la coltura di C. elegans, misurando continuamente il loro consumo di ossigeno tramite un sensore ottico integrato. Dopo aver dimostrato che il design elaborato è in grado di mantenere i vermi adulti confinati nell'ambiente di coltura, abbiamo ideato un protocollo fluidico atto a eliminare uova e larve, in modo tale da garantire condizioni stabili di misura. Successivamente, abbiamo misurato il consumo di ossigeno dei C. elegans al primo giorno di vita adulta (D1) sia in condizioni basali, sia sotto l’effetto di FCCP e azoturo di sodio, sostanze chimiche in grado rispettivamente di incrementare e inibire la respirazione. Un tale device microfluidico potrebbe aiutare a comprendere meglio i meccanismi alla base della respirazione di tali nematodi in condizioni basali e in seguito a trattamenti farmacologici.