點(diǎn)成案例| BE-Gradient微流控芯片用于研究多球腫瘤細(xì)胞在FBS的趨化反應(yīng)

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西班牙薩拉戈薩大學(xué)科學(xué)家首次采用BE-Gradient微流控芯片觀測多球細(xì)胞的化學(xué)遷移情況，主要研究了OSC-19多球細(xì)胞（OSC-19：人舌鱗癌細(xì)胞）在FBS（胎牛血清）的趨化反應(yīng)。探究方向如下：1、通過橫向微通道探究不同化合梯度條件下的趨動(dòng)行為。2、對(duì)比OSC-19多細(xì)胞在微流控系統(tǒng)（膠原包被）和在孔板中的球狀體遷移情況。3、證明了在對(duì)趨化梯度的反應(yīng)中OSC-19單細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)與多細(xì)胞球體培養(yǎng)時(shí)表現(xiàn)出不同的響應(yīng)機(jī)制。

前言：

趨化運(yùn)動(dòng)是指細(xì)胞能夠感受到外界化學(xué)物質(zhì)的濃度梯度，并沿著濃度梯度的方向所做的定向運(yùn)動(dòng)。趨化作用在許多病癥中起著關(guān)鍵作用，包括炎癥和自身免疫性疾病以及癌癥，還有許多發(fā)育和組織重塑過程，包括胚胎生長和傷口愈合。因此，能夠詳細(xì)研究趨化過程的技術(shù)是藥物發(fā)現(xiàn)和基礎(chǔ)生物學(xué)的重要工具。

瓶頸挑戰(zhàn)：

許多不同的方案被用來研究細(xì)胞遷移和趨化作用。Boyden Chamber Assay：Boyden小室法是目前細(xì)胞遷移和侵襲實(shí)驗(yàn)技術(shù)最常用的方法之一。雖然這種方法用途廣泛，但它有一些局限性：例如，它不能直接觀察遷移過程中的細(xì)胞。除此之外，還有一些研究細(xì)胞遷移和趨化作用其他物質(zhì)或方法，包括under-agarose凝膠、Agarose Spot、Zigmond chamber、Dunn chamber和Insall chamber檢測等。這些檢測方法各有其優(yōu)點(diǎn)，但它們通常都不能研究隨著時(shí)間變化的化學(xué)梯度對(duì)細(xì)胞的影響。此外，梯度控制和重現(xiàn)性可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。這些缺點(diǎn)都可以通過使用微流控系統(tǒng)來克服，微流控系統(tǒng)已經(jīng)成為研究趨化性的有力工具。

雖然現(xiàn)有技術(shù)觀察單細(xì)胞的趨化反應(yīng)裝置是非常有效，例如Jeon NL的預(yù)混器梯度發(fā)生器，但它們?cè)谀撤N程度上與更現(xiàn)實(shí)的細(xì)胞遷移情況有距離。細(xì)胞是多細(xì)胞系統(tǒng)的一部分，往往多細(xì)胞的趨化反應(yīng)與單細(xì)胞展現(xiàn)不一樣的遷移機(jī)制。研究表明，固體腫瘤細(xì)胞可表現(xiàn)出與單個(gè)細(xì)胞不同的機(jī)制進(jìn)行遷移和入侵。例如，膠質(zhì)瘤為可孤立的侵襲性腫瘤，而上皮細(xì)胞似乎是通過集體運(yùn)動(dòng)侵襲。

這就跟現(xiàn)實(shí)情況造成了一定的差異。更重要的是，現(xiàn)有技術(shù)往往都不允許對(duì)多細(xì)胞的集體遷移，這是一塊研究的空白。

解決方案：

同時(shí)，本文采用BE-Gradient微流控芯片作為核心裝置進(jìn)行研究。該裝置由一個(gè)中央室（模擬細(xì)胞培養(yǎng)）和兩條包含3個(gè)通向中心室的橫向通道（模擬血管）組成。在中心室容納包含細(xì)胞的水凝膠，兩側(cè)通過灌注不同濃度的介質(zhì)，通過水凝膠多孔結(jié)構(gòu)對(duì)流體的阻力作用，在橫向微通道形成不同的濃度梯度。

圖1 BE-Gradient微流控芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)示意圖

圖2 BE-Gradient微流控芯片產(chǎn)品和實(shí)驗(yàn)示意圖

BE-Gradient微流控芯片的熒光成像和顯微成像表現(xiàn)：

圖3 在FBS化學(xué)梯度下OSC-19多細(xì)胞的顯微形貌圖

圖4 在FBS化學(xué)梯度下OSC-19多細(xì)胞的熒光成像圖

圖5（a）OSC-19單細(xì)胞的顯微圖（b）OSC-19單細(xì)胞的趨化運(yùn)動(dòng)分析（c）OSC-19單細(xì)胞的熒光成像圖

注：本文圖片部分摘引于文獻(xiàn)：Ayuso J M , Ba Sheer H A , Rosa M , et al. Study of the Chemotactic Response of Multicellular Spheroids in a Microfluidic Device[J]. Plos One, 2015, 10(10):e0139515.

其他應(yīng)用：

• 3D細(xì)胞培養(yǎng)：首先將細(xì)胞混合在液相水凝膠中，然后將它們引流至中央室中。水凝膠聚合完成后，通過橫向通道灌注具有不同濃度化合物的培養(yǎng)基，并實(shí)時(shí)監(jiān)測效果。

• 2D細(xì)胞培養(yǎng)：適用于貼壁細(xì)胞，不僅可以在中央室中檢測，也可以在橫向通道中培養(yǎng)。

應(yīng)用案例：細(xì)胞/球狀體入侵和遷移、血管新生、轉(zhuǎn)移、血管生成、趨化、缺血、細(xì)胞分化或氧化壓力、微型器件內(nèi)的壞死核心生成、葡萄糖梯度實(shí)驗(yàn)。

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