林路遙, 林金明
(清華大學(xué)化學(xué)系,微量分析測(cè)試方法與儀器研制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)
微流控技術(shù)(Microfluidics),顧名思義指的是對(duì)微小流體的操控技術(shù)。隨著分析檢測(cè)方法的不斷發(fā)展,人們對(duì)于宏觀世界的感知和探索開始漸漸轉(zhuǎn)向微觀領(lǐng)域,特別是在近年來細(xì)胞生物學(xué)相關(guān)研究對(duì)揭示疾病機(jī)理[1 - 3]、篩選藥物靶標(biāo)[4 - 6]、開發(fā)新型藥物[7 - 9]等各個(gè)層面顯現(xiàn)出重要的現(xiàn)實(shí)意義,對(duì)生命內(nèi)在運(yùn)行機(jī)理的探索發(fā)現(xiàn)成為當(dāng)下一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。通常而言哺乳動(dòng)物真核細(xì)胞的直徑在一到十微米之間,單個(gè)細(xì)胞的內(nèi)容物含量在飛升級(jí)別[10],細(xì)胞外分泌蛋白與附著基質(zhì)構(gòu)成的培養(yǎng)微環(huán)境尺度在幾十至數(shù)百微米左右。因此,研究人員若期望在單細(xì)胞甚至亞細(xì)胞層面上獲得細(xì)胞間相互作用、細(xì)胞與外環(huán)境作用以及細(xì)胞內(nèi)部信號(hào)傳導(dǎo)通路的新發(fā)現(xiàn),不可或缺的是一個(gè)在維度上能與研究對(duì)象相匹配分析的工具。微流控技術(shù)正是在這樣的背景下得到長(zhǎng)足發(fā)展。微流控技術(shù)通過長(zhǎng)寬高中任一維度落在微米級(jí)別的通道和多種流體控制手段實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體或微量流體的操控,相關(guān)的應(yīng)用包括微流控芯片上的流體混合裝置[11 - 12]、濃度梯度產(chǎn)生裝置[13]以及不同種類細(xì)胞篩選與分離[14],甚至在芯片上構(gòu)建組織器官模型[15]等等。
微流控技術(shù)代表著分析檢測(cè)手段的微型化、集成化和試劑用量的經(jīng)濟(jì)化[16]。首先,其微型化的結(jié)構(gòu)特征源自于精細(xì)的加工工藝。上世紀(jì)九十年代微電子加工技術(shù)成功移植到芯片制作當(dāng)中,此后的二十多年間,伴隨著各類芯片制作工藝的成熟發(fā)展,例如激光內(nèi)雕[17]、3D打印[18]以及離子刻蝕[19],芯片制作向著精細(xì)化、復(fù)雜化以及立體化不斷發(fā)展,同時(shí)帶動(dòng)了眾多新型芯片制作材料的不斷涌現(xiàn)。微流控集成化特征表現(xiàn)為其功能在空間上的高度集中:在面積為數(shù)個(gè)平方厘米的芯片上可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)藥物濃度梯度設(shè)置[20]、細(xì)胞在線培養(yǎng)[21]以及代謝物富集[22]等功能。此外,與微流控技術(shù)聯(lián)合使用的檢測(cè)手段豐富多樣,既有集成在芯片上的電化學(xué)或生物傳感器[23 - 25],也包括各類外接檢測(cè)器,諸如質(zhì)譜[26]與熒光顯微鏡[27 - 28]等實(shí)現(xiàn)待測(cè)物質(zhì)分析。功能的高度集成和在線檢測(cè)方法很好地回避了分步操作中樣品損失的問題,而尺寸的微型化進(jìn)一步降低了對(duì)試劑和樣品用量的要求,這便是微流控技術(shù)在試劑用量上的經(jīng)濟(jì)化特征。當(dāng)然,對(duì)處在飛升級(jí)別的單細(xì)胞內(nèi)容物而言,如何使用微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)多組分背景下的痕量分析仍然是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。目前,通道尺寸在亞微米乃至納米級(jí)別的納流控技術(shù)已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注,并且在單細(xì)胞乃至單分子分析上表現(xiàn)出巨大的潛力[29 - 30]。多功能微流控細(xì)胞分析平臺(tái)見圖1。
圖1 多功能微流控細(xì)胞分析平臺(tái)Fig.1 Multi-functional microfluidic cell analysis platform(Reprinted with permission from ref.16)
構(gòu)建微流控芯片上單種、多種細(xì)胞群落乃至“器官”級(jí)別的培養(yǎng)模型,對(duì)于發(fā)現(xiàn)和篩選新藥、了解重大疾病發(fā)生的生理過程具有重要意義。傳統(tǒng)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)已經(jīng)建立起一套成熟的細(xì)胞傳代、培養(yǎng)和內(nèi)容物分析的流程,其優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)量大、結(jié)果可靠、統(tǒng)計(jì)意義明確。然而,培養(yǎng)皿中細(xì)胞培養(yǎng)條件的可控性遠(yuǎn)不及多種功能集成的微流控芯片,更無法與人體內(nèi)各類復(fù)雜的微環(huán)境相提并論,例如細(xì)胞與細(xì)胞間、細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間的相互作用,以及各種細(xì)胞因子形成的濃度梯度。這些微環(huán)境中的細(xì)微變化將會(huì)對(duì)細(xì)胞的遷移、分裂和凋亡等行為產(chǎn)生顯著影響。
2.1 微流控技術(shù)的細(xì)胞操控能力
微流控芯片尺度小到微米級(jí)別的通道與發(fā)展出的多種流體控制部件賦予其強(qiáng)大的流體和微小物體操控能力,這一特性也使其成為精確調(diào)控細(xì)胞培養(yǎng)微環(huán)境的強(qiáng)大工具。相比于傳統(tǒng)依賴于培養(yǎng)皿的細(xì)胞培養(yǎng)方式,微流控芯片上的細(xì)胞培養(yǎng)模型更加注重于小群落,甚至是單細(xì)胞層面上對(duì)復(fù)雜環(huán)境刺激的響應(yīng)行為,而不是大量細(xì)胞的平均結(jié)果。這樣的思路適用于以單細(xì)胞為重點(diǎn)研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),例如研究干細(xì)胞的分裂分化行為等[31]。微流控芯片上常見的流體控制部件包括微閥、微泵與流體混合單元,此外各種各樣的濃度梯度產(chǎn)生裝置為研究細(xì)胞的藥物刺激行為和趨化特性提供了強(qiáng)有力的工具。
細(xì)胞的分離和捕獲在臨床中具有重要應(yīng)用價(jià)值[32]。微流控芯片上對(duì)不同種類或者處于不同分裂周期的細(xì)胞進(jìn)行分離,既可以采用區(qū)分細(xì)胞間流體力學(xué)性質(zhì)差異的物理方法,也可以與特異性化學(xué)識(shí)別的探針結(jié)合對(duì)特定細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記甚至直接捕獲。Sun等[33]設(shè)計(jì)了一種雙螺線型的微流控通道,將稀釋的外周血液通入芯片中,經(jīng)過彎曲的通道后癌細(xì)胞和紅細(xì)胞在流體作用下從不同的出口流出,由此實(shí)現(xiàn)癌細(xì)胞的高通量分離。Lee等[34]提出了另一種具有規(guī)律性寬窄變化的齒狀流體通道,同樣在流體作用力下,癌細(xì)胞和血細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生分離。該方法不需要稀釋步驟可直接對(duì)血液樣品進(jìn)行分析,通量達(dá)到每分鐘1億個(gè)細(xì)胞。此外在已報(bào)道的工作中,細(xì)胞的分選常常通過免疫熒光探針標(biāo)記以及微流控液滴技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)細(xì)胞進(jìn)行捕獲和操縱是構(gòu)建芯片上精確調(diào)控的細(xì)胞培養(yǎng)模型的必要條件,也是實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞分析和構(gòu)成細(xì)胞觀測(cè)平臺(tái)的重要要素[35]。微流控技術(shù)的發(fā)展提供了許多細(xì)胞操控的典型策略,如借助于微流控芯片通道中特定形狀的突起可以便利地實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的捕獲和定位[36]。Zhang等[37]在這個(gè)思路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款可以移取單個(gè)細(xì)胞的移液器,通過在液流通道中設(shè)置不同數(shù)量的細(xì)胞截獲位點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)自然數(shù)個(gè)細(xì)胞的移取。在另一篇已報(bào)道的工作中,研究人員還利用多個(gè)聲波源在芯片表面疊加形成的振動(dòng)勢(shì)阱對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了定位排布[38]。微流控細(xì)胞操控方法如圖2所示。
圖2 微流控細(xì)胞操控策略Fig.2 Microfluidic cell manipulation strategies(A) Double-spiral channel design for separation of cancer cells from normal blood cells(reprinted with permission from ref.[33]);(B) Wide-narrow alternating channel to separate circulating tumor cells(reprinted with permission from ref.[34]);(C) Single cell pipette(reprinted with permission from ref.[37]);(D) Multiple sonic waves coupled potential wells for cell coordination(reprinted with permission from ref.[38]);(E) Dielectric force driven cell patterning(reprinted with permission from ref.[35]).
2.2 細(xì)胞培養(yǎng)微環(huán)境的構(gòu)建
利用芯片上的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)既可以向上組裝構(gòu)建出復(fù)雜的組織或者器官模型,促進(jìn)組織器官工程發(fā)展,也可以發(fā)展新型檢測(cè)分析方法獲得單個(gè)細(xì)胞層面以下的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)或者信號(hào)通路相關(guān)的信息,更新人們對(duì)生理和疾病過程的理解。此外在新藥的篩選中,芯片模型可以作為昂貴的動(dòng)物或者人體實(shí)驗(yàn)的替代,從而大大降低藥物開發(fā)的成本和周期[39]。在微流控芯片上構(gòu)建細(xì)胞培養(yǎng)模型的第一步是模擬細(xì)胞在體內(nèi)存在的真實(shí)環(huán)境,這樣的環(huán)境既包括細(xì)胞的化學(xué)識(shí)別環(huán)境,也包括機(jī)械應(yīng)力環(huán)境。
2.2.1構(gòu)建細(xì)胞體外培養(yǎng)的化學(xué)環(huán)境細(xì)胞培養(yǎng)的化學(xué)環(huán)境主要指體系中存在的細(xì)胞因子濃度梯度,以及細(xì)胞外基質(zhì)蛋白提供給細(xì)胞表面受體的特殊識(shí)別位點(diǎn)。細(xì)胞因子既可以由其他細(xì)胞分泌,也可以由受主細(xì)胞自分泌提供,實(shí)際上依靠細(xì)胞因子完成的信號(hào)傳遞是細(xì)胞間通訊的重要形式。重構(gòu)細(xì)胞體外培養(yǎng)的化學(xué)環(huán)境既可以直接從外部輸入含有相應(yīng)細(xì)胞因子的培養(yǎng)基,觀察細(xì)胞的刺激響應(yīng)行為,也可以設(shè)計(jì)多種細(xì)胞的共同培養(yǎng)模型,研究細(xì)胞間的相互作用。微流控芯片上的細(xì)胞共培養(yǎng)常常使用多孔隔膜對(duì)不同種類的細(xì)胞進(jìn)行物理分隔,同時(shí)允許化學(xué)物質(zhì)之間的相互交換,其應(yīng)用實(shí)例包括利用飼養(yǎng)層細(xì)胞保持胚胎干細(xì)胞的多能性等[40]。
近年來,利用凝膠材料實(shí)現(xiàn)細(xì)胞三維培養(yǎng)成為體外實(shí)驗(yàn)?zāi)M細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境的重要手段。凝膠材料大多具有良好的生物相容性,特別是從動(dòng)物組織內(nèi)提取的基質(zhì)膠,含有多種細(xì)胞生長(zhǎng)因子,例如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子和上表皮生長(zhǎng)因子,同時(shí)基質(zhì)膠中的蛋白質(zhì)骨架,例如膠原蛋白、層粘連蛋白與纖維連接蛋白,能夠提供細(xì)胞粘附的特異位點(diǎn),很好地模擬了細(xì)胞在體內(nèi)存活的微環(huán)境。所謂三維培養(yǎng)是指區(qū)別于傳統(tǒng)培養(yǎng)皿二維培養(yǎng)的新型培養(yǎng)模式。在凝膠三維培養(yǎng)中,細(xì)胞并不貼附于一個(gè)表面上,而是“懸浮”于凝膠材料之中,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過擴(kuò)散的方式輸入培養(yǎng)體系。由于更接近細(xì)胞在體內(nèi)的真實(shí)狀態(tài),三維培養(yǎng)被認(rèn)為能夠保存細(xì)胞原本的基因表型。Zheng等[41]利用軟光刻方法在膠原蛋白膠里構(gòu)建了相互連通的微通道網(wǎng)絡(luò),通過將內(nèi)皮細(xì)胞直接注入和靜置培養(yǎng)形成了類似血管的體外細(xì)胞培養(yǎng)模型。血管模型在體外的培養(yǎng)時(shí)間超過了兩周,通過免疫染色方法觀察到內(nèi)皮細(xì)胞保持了表達(dá)相關(guān)蛋白的特性,在細(xì)胞與細(xì)胞之間形成了緊密連接,并且在受到藥物刺激時(shí)表現(xiàn)出與體內(nèi)血管類似的炎癥應(yīng)激反應(yīng)。利用微流控芯片構(gòu)建細(xì)胞體外培養(yǎng)的化學(xué)環(huán)境的實(shí)例如圖3。
圖3 構(gòu)建細(xì)胞培養(yǎng)的化學(xué)環(huán)境Fig.3 Constituting the cell culture chemical microenvironment(A) Feeder cells maintained the differentiation potential of embryonic stem cell(reprinted with permission from ref.[40]);(B) Patterning endothelial vascular networks inside the collagen gel channels(reprinted with permission from ref.[41]).
2.2.2構(gòu)建細(xì)胞體外培養(yǎng)的物理環(huán)境細(xì)胞培養(yǎng)的物理環(huán)境主要指細(xì)胞培養(yǎng)過程中受到的機(jī)械作用力,這一環(huán)境要素往往被忽視但卻對(duì)細(xì)胞的分化與凋亡等動(dòng)態(tài)過程具有重要影響。在人體內(nèi),紅細(xì)胞和白細(xì)胞需要經(jīng)受血液流動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大剪切力,并隨著血液循環(huán)在全身流動(dòng);肺泡毛細(xì)血管的上表皮細(xì)胞作為人體與外部環(huán)境的界限在呼吸時(shí)需要承受相應(yīng)的收縮或拉伸應(yīng)力。在微流控芯片的設(shè)計(jì)中增加對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)機(jī)械環(huán)境的調(diào)控將使芯片模型從功能特性上更加接近于體內(nèi)的組織或器官。Lam等[42]在微流控芯片基底上形成彈性體微柱陣列來調(diào)控其硬度,同時(shí)配合不同的流體剪切力環(huán)境研究細(xì)胞的粘附行為。Huh等[43 - 44]利用微流控通道的變形性能模擬呼吸時(shí)肺泡表面的伸縮運(yùn)動(dòng),從功能層面上構(gòu)建了體外培養(yǎng)的肺泡模型。
2.2.3芯片器官的概念借助于微流控芯片強(qiáng)大的控制能力,將細(xì)胞的化學(xué)環(huán)境、物理環(huán)境以及多種細(xì)胞共同培養(yǎng)的模型進(jìn)行整合,在芯片上構(gòu)建出與體內(nèi)的真實(shí)組織或器官結(jié)構(gòu)上相似,功能上相近的人造“組織”或“器官”的技術(shù)稱為芯片上的組織器官工程或“芯片組織(器官)”[45]。張潔等[46]通過在串聯(lián)的微流控通道上設(shè)置不同細(xì)胞培養(yǎng)腔室的上下游級(jí)聯(lián)關(guān)系,成功模擬了人體內(nèi)肝臟代謝抗癌藥物產(chǎn)生活性中間體殺傷癌細(xì)胞的過程;介明沙等[47]在此基礎(chǔ)上增加了對(duì)口服藥物透過小腸上皮細(xì)胞吸收過程的模擬,在芯片上建立了“肝-腸”二器官藥物代謝模型。陳秋水等[48]利用微流體在通道內(nèi)層流的屬性,以海藻酸鈉凝膠為細(xì)胞包裹材料,在芯片上利用油相切割和離子交換方法,得到了具有核-殼結(jié)構(gòu)的細(xì)胞包裹液滴。該方法可以被進(jìn)一步應(yīng)用于構(gòu)建液滴中多種細(xì)胞共同培養(yǎng)的微器官模型,在高通量藥物篩選中具有潛在意義。微流控芯片上的器官模擬見圖4。
芯片器官模型研究的最終目標(biāo)是達(dá)到組織工程的高度。當(dāng)然這一新興領(lǐng)域目前還處于摸索的階段,相當(dāng)一部分的“芯片組織(器官)”的功能模擬只是初步水平。要想實(shí)現(xiàn)真正“器官”級(jí)別的體外模型構(gòu)建,需要解決的幾大基本問題包括:體細(xì)胞穩(wěn)定的獲取來源,合適的可降解生物凝膠,更加精細(xì)的細(xì)胞定位手段以及體外組織器官中血管網(wǎng)絡(luò)的形成方法等。伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,特別是當(dāng)前熱門的組織器官打印技術(shù)[49 - 51],以及人們對(duì)細(xì)胞生物學(xué)的認(rèn)識(shí)不斷加深,相信這一領(lǐng)域的科學(xué)突破即將到來。
合適的檢測(cè)手段是構(gòu)建微流控細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)不可缺少的一環(huán)。常見的與微流控芯片聯(lián)合使用的檢測(cè)器包括熒光顯微鏡、電化學(xué)傳感器和質(zhì)譜儀。不同類型的檢測(cè)器各有優(yōu)劣,需要根據(jù)檢測(cè)對(duì)象和應(yīng)用場(chǎng)景具體而定。
3.1 熒光探針標(biāo)記技術(shù)
使用熒光探針對(duì)細(xì)胞內(nèi)特定分子進(jìn)行標(biāo)記成像是一種非介入式的分析方法,可以在不干擾細(xì)胞培養(yǎng)過程的情形下實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞動(dòng)態(tài)變化的連續(xù)觀察。熒光探針具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),在某些實(shí)驗(yàn)條件下可以達(dá)到單分子成像水平。林雪霞等[52]基于凝血酶適配體的特異性識(shí)別作用以及滾環(huán)擴(kuò)增策略實(shí)現(xiàn)了芯片上對(duì)相應(yīng)蛋白質(zhì)的肉眼可見檢測(cè)。得益于核酸適配體探針良好的特異性以及通用性,針對(duì)多種核酸、蛋白質(zhì)乃至細(xì)胞的分析方法在微流控芯片上建立。李楠等和易伶潞等分別利用核酸適配體熒光探針實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞外分泌蛋白酶[53]以及內(nèi)含mRNA[54]的檢測(cè)。
3.2 電化學(xué)檢測(cè)方法
借助于成熟的集成電路加工技術(shù),電化學(xué)傳感器可以直接安置在微流控芯片上,通過記錄待分析物參與化學(xué)反應(yīng)引起的體系電阻、電容、電流和電壓等參數(shù)的變化來反映待測(cè)物的含量。電化學(xué)傳感器的靈敏度較高,可以用于開發(fā)便攜式檢測(cè)設(shè)備[55 - 57],目前已經(jīng)有數(shù)種商品化的儀器面世。此外電化學(xué)傳感器與紙基芯片的結(jié)合為血糖以及多種癌癥相關(guān)的生物標(biāo)記物快速檢測(cè)提供了一套可行方法。
3.3 質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)
在眾多的檢測(cè)器中,質(zhì)譜以其強(qiáng)大的定性分析能力成為研究細(xì)胞代謝產(chǎn)物的不二選擇。細(xì)胞的代謝產(chǎn)物存在于組成成分復(fù)雜的培養(yǎng)基之中,在進(jìn)行質(zhì)譜檢測(cè)之前不可或缺的步驟是對(duì)代謝產(chǎn)物進(jìn)行富集純化。待測(cè)物富集純化的處理既可以通過集成在芯片上的功能單元實(shí)現(xiàn),也可以在收集相應(yīng)樣品后進(jìn)行線下處理,而前者往往是構(gòu)建細(xì)胞代謝物自動(dòng)化分析平臺(tái)中的重要一環(huán)。我們研究組在過去數(shù)年中研究和發(fā)展了紙噴霧離子化方法作為連接芯片和質(zhì)譜儀之間的“橋梁”,將細(xì)胞培養(yǎng)液或其他生物樣品通過毛細(xì)管滴加在接高壓的濾紙片上,樣品會(huì)在濾紙尖端噴出并發(fā)生離子化,隨后進(jìn)入質(zhì)譜中進(jìn)行分析[58 - 60]。劉武等使用該紙噴霧離子化方法對(duì)水果內(nèi)容物[60]、細(xì)胞培養(yǎng)基[61]以及蛋白樣品[62]進(jìn)行了一系列的分析研究。此外,本研究組還利用噴墨打印頭產(chǎn)生單細(xì)胞液滴的方法實(shí)現(xiàn)了電噴霧[63]和基質(zhì)輔助激光解吸離子化[64]的細(xì)胞膜脂質(zhì)指紋圖譜分析。吳靜等[65]提出了在導(dǎo)電玻璃上進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)并進(jìn)行原位電噴霧質(zhì)譜分析的方法?;谖⒘骺匦酒臋z測(cè)方法見圖5。
圖5 基于微流控芯片的不同檢測(cè)方法Fig.5 Microfluidic chip combined detection methods(A) Biosensors integrated on chip with visible color change indicating analyte level(reprinted with permission from ref.[52]);(B) Functional DNA aptamer as fluorescent probe for matrix metalloproteinases detection(reprinted with permission from ref.[53]);(C) Functional aptamer as fluorescent probe for intracellular mRNA analysis(reprinted with permission from ref.[54]);(D) Paper spray-Mass spectrometry online monitoring of glucose level in cell culture medium(reprinted with permission from ref.[61]);(E) Single cell droplet generated from inkjet printer for probe electro-spray ionization and mass spectrometry analysis(reprinted with permission from ref.[63]);(F) Cell culture and on site electro-spray on ITO glass for mass spectrometry analysis(reprinted with permission from ref.[65]).
微流控技術(shù)強(qiáng)大的細(xì)胞操控以及精細(xì)的微環(huán)境調(diào)控能力使其成為細(xì)胞生命科學(xué)研究中的重要手段。隨著微型化和操控技術(shù)的不斷發(fā)展,人們?cè)絹碓接锌赡茉隗w外像組裝電子元件一般構(gòu)建出復(fù)雜的生物組織、器官乃至機(jī)體。這種自下而上的構(gòu)建方式從另一個(gè)角度為人們了解生命過程、認(rèn)識(shí)生命本源提供了難得的范本。
當(dāng)然,微流控技術(shù)在細(xì)胞生物學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用仍需要長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)和科學(xué)積累。但是目睹了微流控技術(shù)在近些年來的快速發(fā)展,我們有理由相信在不遠(yuǎn)的未來,它將帶給我們更多的驚喜和發(fā)現(xiàn)。