BE-Gradient微流控芯片用于研究多球肿瘤细胞在FBS的趋化反应

西班牙萨拉戈萨大学科学家首次采用BE-Gradient微流控芯片观测多球细胞的化学迁移情况,主要研究了OSC-19多球细胞(OSC-19:人舌鳞癌细胞)在FBS(胎牛血清)的趋化反应。探究方向如下:1、通过横向微通道探究不同化合梯度条件下的趋动行为。2、对比OSC-19多细胞在微流控系统(胶原包被)和在孔板中的球状体迁移情况。3、证明了在对趋化梯度的反应中OSC-19单细胞培养时与多细胞球体培养时表现出不同的响应机制。

前言

趋化运动是指细胞能够感受到外界化学物质的浓度梯度,并沿着浓度梯度的方向所做的定向运动。趋化作用在许多病症中起着关键作用,包括炎症和自身免疫性疾病以及癌症,还有许多发育和组织重塑过程,包括胚胎生长和伤口愈合。因此,能够详细研究趋化过程的技术是药物发现和基础生物学的重要工具。

一、瓶颈挑战

许多不同的方案被用来研究细胞迁移和趋化作用。Boyden Chamber Assay:Boyden小室法是目前细胞迁移和侵袭实验技术最常用的方法之一。虽然这种方法用途广泛,但它有一些局限性:例如,它不能直接观察迁移过程中的细胞。除此之外,还有一些研究细胞迁移和趋化作用其他物质或方法,包括under-agarose凝胶、Agarose Spot、Zigmond chamber、Dunn chamber和Insall chamber检测等。这些检测方法各有其优点,但它们通常都不能研究随着时间变化的化学梯度对细胞的影响。 此外,梯度控制和重现性可能是一个挑战。这些缺点都可以通过使用微流控系统来克服,微流控系统已经成为研究趋化性的有力工具。

虽然现有技术观察单细胞的趋化反应装置是非常有效,例如Jeon NL的预混器梯度发生器,但它们在某种程度上与更现实的细胞迁移情况有距离。细胞是多细胞系统的一部分,往往多细胞的趋化反应与单细胞展现不一样的迁移机制。研究表明,固体肿瘤细胞可表现出与单个细胞不同的机制进行迁移和入侵。例如,胶质瘤为可孤立的侵袭性肿瘤,而上皮细胞似乎是通过集体运动侵袭。

这就跟现实情况造成了一定的差异。更重要的是,现有技术往往都不允许对多细胞的集体迁移,这是一块研究的空白。

二、解决方案

同时,本文采用BE-Gradient微流控芯片作为核心装置进行研究。该装置由一个中央室(模拟细胞培养)和两条包含3个通向中心室的横向通道(模拟血管)组成。在中心室容纳包含细胞的水凝胶,两侧通过灌注不同浓度的介质,通过水凝胶多孔结构对流体的阻力作用,在横向微通道形成不同的浓度梯度。

BE-Gradient微流控芯片内部结构和参数示意图

三、BE-Gradient微流控芯片中的荧光成像和显微成像表现

在FBS化学梯度下OSC-19多细胞的显微形貌图
在FBS化学梯度下OSC-19多细胞的荧光成像图
(a)OSC-19单细胞的显微图(b)OSC-19单细胞的趋化运动分析(c)OSC-19单细胞的荧光成像图

注:本文图片部分摘引于文献: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.

四、其他应用

  • 3D细胞培养:首先将细胞混合在液相水凝胶中,然后将它们引流至中央室中。水凝胶聚合完成后,通过横向通道灌注具有不同浓度化合物的培养基,并实时监测效果。
  • 2D细胞培养:适用于贴壁细胞,不仅可以在中央室中检测,也可以在横向通道中培养。

应用案例:细胞/球状体入侵和迁移、血管新生、转移、血管生成、趋化、缺血、细胞分化或氧化压力、微型器件内的坏死核心生成、葡萄糖梯度实验。

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