聲波與水凝膠結(jié)合——體外3D細(xì)胞團(tuán)模型快速構(gòu)建

來源： EngineeringForLife  

為了方便地研究細(xì)胞或者組織團(tuán)簇在體內(nèi)的生化行為，需要快速且低成本地構(gòu)建體外三維細(xì)胞團(tuán)模型。比如在腫瘤疾病的研究和治療中，體外進(jìn)行的腫瘤細(xì)胞團(tuán)藥篩測(cè)試能夠給藥物開發(fā)和個(gè)性化藥物治療方案的制定提供關(guān)鍵指導(dǎo)。體內(nèi)的組織團(tuán)都有著自己的三維結(jié)構(gòu)，內(nèi)部細(xì)胞之間相互連接黏附，同時(shí)這些細(xì)胞團(tuán)被周圍組織支撐包裹，并受到自身或者周圍細(xì)胞綜合產(chǎn)生的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境調(diào)控，這種聚集效應(yīng)使得其展現(xiàn)出相應(yīng)獨(dú)特的行為、功能、和生化特性（比如抗藥性）。因此如何有效地形成細(xì)胞間物理/生化連接，并真實(shí)模擬細(xì)胞外三維基質(zhì)環(huán)境是下游應(yīng)用的關(guān)鍵前提，同時(shí)也是目前傳統(tǒng)方案的短板。因?yàn)閭鹘y(tǒng)思路往往依賴長時(shí)間培養(yǎng)將散裝分布的細(xì)胞連接成團(tuán)簇，缺乏高效無損的直接團(tuán)聚細(xì)胞的外力，導(dǎo)致效率低下，且難以組裝出具有3D結(jié)構(gòu)細(xì)胞團(tuán)。

近期武漢大學(xué)楊奕教授團(tuán)隊(duì)在Lab on a chip雜志上發(fā)表了題為“On-chip hydrogelarrays individually encapsulating acoustic formed multicellular aggregates forhigh throughput drug testing”的研究論文，提出了一種基于聲力快速3D細(xì)胞團(tuán)陣列的組裝技術(shù)，并制造了微型水凝膠陣列包裹以提供3D支撐和細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境。這種技術(shù)能夠在聲力與聲流效應(yīng)綜合作用下將波節(jié)點(diǎn)附近細(xì)胞聚集成理想的3D細(xì)胞團(tuán)結(jié)構(gòu)，懸浮在環(huán)境中，使得細(xì)胞免于受到基底的影響。借助于GelMA水凝膠優(yōu)異的微納加工性能，在芯片上對(duì)這些細(xì)胞團(tuán)進(jìn)行獨(dú)立的包裹，保持其三維球形結(jié)構(gòu)，最終在一個(gè)芯片上可以一次產(chǎn)生成數(shù)千個(gè)3D細(xì)胞團(tuán)陣列。由于聲力的作用，這些體外模型無需長時(shí)間培養(yǎng)來形成連接，而生物水凝膠提供結(jié)構(gòu)支撐和細(xì)胞外基質(zhì)的富集環(huán)境。因此這種技術(shù)在結(jié)構(gòu)和基質(zhì)環(huán)境多個(gè)維度更加真實(shí)地模擬體內(nèi)情況，有著極高效率，期望能夠便利相關(guān)生物科學(xué)研究和快速藥物開發(fā)篩選應(yīng)用。

Fig. 1 聲波組裝3D細(xì)胞團(tuán)陣列示意圖

圖1中展示了該技術(shù)的原理示意圖，兩對(duì)叉指電極用來產(chǎn)生聲表面駐波，兩束垂直的駐波相互干涉，將產(chǎn)生規(guī)律排布的聲勢(shì)阱，在勢(shì)阱周圍的細(xì)胞將在聲輻射力和聲流的綜合作用下聚集成3D細(xì)胞團(tuán)。細(xì)胞懸浮在8 w/v% GelMA （EFL團(tuán)隊(duì)提供，GelMA-60）溶液中，當(dāng)曝光區(qū)域與聲勢(shì)阱區(qū)域正好一致時(shí)，便在每個(gè)細(xì)胞團(tuán)周圍形成了水凝膠柱的陣列。最終具有三維結(jié)構(gòu)的細(xì)胞團(tuán)陣列便在芯片上制造了出來，這些模型不需要額外的長時(shí)間培養(yǎng)便有著緊密的內(nèi)部連接。并且通過控制不大的細(xì)胞濃度或者聲波波長，可以形成從幾十微米到上千微米尺寸的細(xì)胞團(tuán)簇，有著較大的適用性。圖2中展示了聲場(chǎng)的結(jié)構(gòu)（2a），和在聲場(chǎng)中細(xì)胞受力圖（2b）。通過三維confocal熒光圖可以看到這種技術(shù)可以形成理想的水凝膠柱的微結(jié)構(gòu)（2c），這給細(xì)胞團(tuán)創(chuàng)造了理想的基質(zhì)環(huán)境和結(jié)構(gòu)支撐。明場(chǎng)和熒光confocal圖很好地論證了這項(xiàng)技術(shù)所構(gòu)造模型的三維形態(tài)，這種模型單元有著規(guī)律的形態(tài)和緊密的三維結(jié)構(gòu)，將很好模擬體內(nèi)真實(shí)形態(tài)和環(huán)境，并直接便利下游的應(yīng)用。

Fig. 2（a-b）對(duì)聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)的模擬以及細(xì)胞在聲場(chǎng)中受力圖。（c）GelMA水凝膠形成地微柱陣列。（d-e）水凝膠包裹地三維細(xì)胞團(tuán)的明場(chǎng)和熒光表征圖。（f）構(gòu)造的細(xì)胞團(tuán)三維confocal圖

作為論證，本文制造了腫瘤團(tuán)模型陣列，并結(jié)合了使用樹狀結(jié)構(gòu)的微流控芯片用以產(chǎn)生多種藥物梯度。不同濃度藥物溶液流過該陣列，每個(gè)陣列的豎列處于相同濃度溶液中，而橫列則處于梯度藥物場(chǎng)中，因此同時(shí)監(jiān)測(cè)了腫瘤團(tuán)在多達(dá)十種藥物濃度作用下的活性變換。該技術(shù)可以快速制造細(xì)胞團(tuán)或者組織的體外模型，真實(shí)模擬體內(nèi)環(huán)境，并可以在快速藥篩等領(lǐng)域展現(xiàn)其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，以便推動(dòng)相關(guān)研究和應(yīng)用。

Figure 3 細(xì)胞團(tuán)陣列在藥物梯度場(chǎng)中活性變化測(cè)試

Figure 4 高通量藥物篩選測(cè)試

Figure.5 不同尺寸細(xì)胞團(tuán)的聚集，以及無聲波時(shí)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的胡學(xué)佳博士、趙書堃博士為本文第一作者，楊奕教授為本文通訊作者。

論文地址：
http://dx.doi.org/10.1039/d0lc00255k