微流控应用:使用微柱芯片研究细胞3D微环境中的细胞迁移行为

1. 方法介绍:
细胞迁移是基本的细胞活动。细胞在由细胞和胞外基质组成的微环境中进行迁移。细胞在迁移过程中,面临的环境存在很大差别。例如免疫细胞在淋巴结中迁移会遇到排列紧密的细胞,但是在细胞间隙中迁移时主要面对稀疏的胞外基质。虽然细胞迁移行为存在组织差异性,但一致的一点是细胞迁移面临的都是三维的多细胞微环境。
目前研究细胞迁移的实验主要在简化的2D、体外模拟3D(例如胶原蛋白基质)或体内环境进行。虽然体内实验可以反映真实的生理反应,但是这些实验无法精确地操控细胞外环境参数,限制了其广泛应用;另外体外实验也对长期和精细观察细胞行为提出了挑战。2D体外实验可以很方便的进行机械和化学操作,但越来越多的实验证据证明了2D和3D环境中细胞迁移机制存在巨大差异。例如2D平面环境中的细胞迁移严格取决于细胞是否粘附至基质表面,但是细胞在两个表面之间的迁移则可完全不依赖于粘附力。
和体外2D环境中细胞迁移行为不同的是,体内细胞在迁移过程中会受到各种限制,而且还会通过不同几何形状和拓扑结构的孔径。
微柱芯片忠实地模拟了这些3D细胞外环境参数,不仅将细胞限制在两个表面之间,而且细胞在迁移过程中也会遇到立柱(图一)。微柱芯片模仿了扁平化的3D细胞环境,通过调整立柱形状、立柱间距和立柱排布,可以把形貌、几何形状、孔径大小等因素对细胞迁移的影响独立加以研究。微柱芯片也可很方便的与趋化分析或先进成像技术结合,对细胞内的分子变化进行研究,微柱芯片结合了2D细胞迁移实验的优势,又可精确控制3D微环境的参数,是一项研究细胞迁移的有力武器。

微流控应用:使用微柱芯片研究细胞3D微环境中的细胞迁移行为插图

图一:使用微柱芯片来研究复杂3D环境中的细胞迁移行为

已经被证明可以使用微柱芯片对其研究的细胞类型包括:树突状细胞(DC)、免疫细胞(中性粒细胞,T细胞,巨噬细胞),癌细胞(HT1080),间质细胞(成纤维细胞)和鱼角化细胞。

 

2. 实验方法简介:
微柱芯片芯片尺寸为毫米级(例如3×9 mm),通过微米尺寸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)立柱阵列连接两个表面(图1),一面为PDMS,一面为载玻片或者盖玻片。相对较大的尺寸允许较大的进样孔,以方便后续对细胞进行操作。
从进样孔加入细胞后,细胞开始迁移入微柱芯片。通过调整立柱的形状、尺寸、间距、立柱的几何排列,我们可以研究不同的细胞生物学问题(图一D)。
主要实验步骤包括:
1. 制作SU-8模板。
2. 使用SU-8负模生产PDMS芯片。
3 将PDMS芯片和载玻片键合,生成微柱芯片芯片。
4. 对芯片进行表面修饰。
5. 细胞培养。
通常,可以使用常规的图像分析软件来分析细胞迁移参数。常用的免费图像分析软件Fiji(及其插件TrackMate)可通过标记的细胞核跟踪细胞以确定其平均速度。

 

3. 结论:
微柱芯片作为细胞3D微环境的一种简化模型,可以全面控制环境的各种参数。芯片的平面结构又为精确分析细胞行为,例如迁移参数、形状动力学、分子定位提供了非常有利的观测条件(图1和2)。
微流控应用:使用微柱芯片研究细胞3D微环境中的细胞迁移行为插图1
图二:不同细胞在微柱芯片中的迁移行为

使用微柱芯片芯片得到的细胞迁移参数(例如迁移速度和细胞形状),和细胞在胶原蛋白基质中实验得到的结果非常类似,因此微柱芯片芯片可以作为胶原蛋白基质的替代解决方案。在多种细胞中的实验均证明了微柱芯片可广泛适用于研究各种细胞类型的迁徙。该技术也可用于细胞分裂、细胞竞争,细胞分化和细胞外物质摄取的研究。
(A)微柱芯片的结构示意
(B) 微柱芯片的俯视图
(C) 微柱芯片的侧视图,已经使用微柱芯片进行细胞在化学引诱剂的作用下研究细胞迁移行为
(D) 采用多种几何形状的微柱芯片设计(红色:正方形和三角形排布的微柱;绿色:原型微柱和方形微柱;紫色:不同大小的圆形微柱

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