基于微流控芯片的細胞遷移

細胞遷移在血管再生、傷口愈合、炎癥反應、胚胎發育等多種生理和病理過程中起到關鍵作用. 細胞遷移研究中, 傳統的研究方法無法滿足高通量的需求, 且大多是單因素檢測, 難以綜合考慮細胞基質、濃度梯度等多參數對細胞遷移的影響.

微流控芯片分析是當前的科技前沿領域之一, 其作為細胞遷移研究新的技術平臺, 一方面具有集成度高、靈敏度高、高通量、試劑消耗少等優勢, 快速實現大規模分析; 另一方面芯片中微米級的通道結構可控制物質濃度梯度和微流體, 調節溶液溫度和pH等細胞微環境要素, 更真實模擬細胞體內生長微環境, 并完成實時監測. 微流控芯片已經被廣泛應用于細胞遷移研究, 其模型分為二維(2D)和三維(3D)2大類, 分別從平面培養和立體生長的角度, 研究不同因子濃度梯度、電刺激或細胞間相互作用等條件對細胞遷移行為的影響,打破了傳統方法的局限性, 促進了生物及醫學等領域的研究. 

近期來自中國科學院的研究人員介紹了微流控芯片在細胞遷移研究中應用的近期進展, 重點綜述了研究細胞遷移的2D和3D微流控芯片, 并討論了各類微流控芯片的優缺點.  

微流控芯片特有的網格式通道結構、微米級尺寸、以及可同時在時間和空間上控制微流體等特點有利于更好模擬細胞體內真實生理環境.

在單層傷口愈合類細胞遷移研究中, 胰蛋白酶消化法芯片結構簡單, 操作相對容易, 傷口邊緣細胞損傷小, 殘留細胞碎片少, 提高了細胞傷口的可控性和重復性, 便于動態觀察研究, 在近期取得了較大發展, 有望成為細胞傷口愈合研究的標準化主流模型之一; 電刺激形成的傷口模型, 具有可塑性高、自動化等優勢, 尤其是與ECIS技術結合的無標記性檢測, 外部條件干擾少, 但在制作成本方面存在困難; 阻隔法對傷口細胞刺激小, 但一般結構復雜、操作不易, 制作和應用技術還不夠成熟. 隨著制作成本和技術的發展和成熟, 結合脈沖電壓及阻隔法形成細胞傷口愈合模型的微流控芯片有可能給受傷后細胞遷移研究提供更多選擇.

在2D無傷口類細胞趨化和趨電運動研究中, 微流控芯片可控制2D的腔室內物質的線性、拋物線性和周期性濃度梯度; 通過組合微通道實現多因素濃度梯度控制, 可靈活設計的芯片結構增加了細胞遷移研究方法的多樣性, 為細胞遷移研究帶來的發展. 然而2D微流控芯片存在一定局限性, 缺乏由細胞基質構成的立體支架, 使細胞間聯系減弱、細胞與基質間相互作用喪失等. 采用瓊脂糖或明膠等凝膠代替細胞外基質, 構建基于微流控芯片的3D細胞培養和細胞遷移模型更真實地模擬了細胞生長微環境, 已經成為新的研究熱點. 這類3D微流控芯片在細胞遷移研究方面將具有更為廣闊的發展空間, 有利于更準確地開展細胞生物學研究, 進而豐富生命科學領域的信息量, 但是3D介質材料的選擇、結構的設計以及集成化檢測都存在一定困難.

基于微流控芯片的細胞遷移模型推動了細胞遷移的研究進展, 隨著微流控芯片技術的不斷成熟, 更多形式的微流控芯片將會應用到細胞遷移研究中. 一方面, 芯片會趨向于集成化, 結合材料、化學、電子工程等不同學科優勢, 將反應與檢測集成到1張芯片, 實現多參數可控、高通量、自動化分析、以及對細胞遷移行為的控制; 另一方面, 采用3D基質, 設計合理結構的微流控芯片, 調整基質膠的硬度或選擇不同生物材料、可溶性因子的梯度, 更真實地模擬細胞體內環境, 或構建組織、器官特異性的仿生芯片進一步推動細胞遷移研究.