聲波與水凝膠結合——體外3D細胞團模型快速構建

來源： EngineeringForLife  

為了方便地研究細胞或者組織團簇在體內的生化行為，需要快速且低成本地構建體外三維細胞團模型。比如在腫瘤疾病的研究和治療中，體外進行的腫瘤細胞團藥篩測試能夠給藥物開發(fā)和個性化藥物治療方案的制定提供關鍵指導。體內的組織團都有著自己的三維結構，內部細胞之間相互連接黏附，同時這些細胞團被周圍組織支撐包裹，并受到自身或者周圍細胞綜合產生的細胞外基質環(huán)境調控，這種聚集效應使得其展現出相應獨特的行為、功能、和生化特性（比如抗藥性）。因此如何有效地形成細胞間物理/生化連接，并真實模擬細胞外三維基質環(huán)境是下游應用的關鍵前提，同時也是目前傳統(tǒng)方案的短板。因為傳統(tǒng)思路往往依賴長時間培養(yǎng)將散裝分布的細胞連接成團簇，缺乏高效無損的直接團聚細胞的外力，導致效率低下，且難以組裝出具有3D結構細胞團。

近期武漢大學楊奕教授團隊在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細胞團陣列的組裝技術，并制造了微型水凝膠陣列包裹以提供3D支撐和細胞外基質環(huán)境。這種技術能夠在聲力與聲流效應綜合作用下將波節(jié)點附近細胞聚集成理想的3D細胞團結構，懸浮在環(huán)境中，使得細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，在芯片上對這些細胞團進行獨立的包裹，保持其三維球形結構，最終在一個芯片上可以一次產生成數千個3D細胞團陣列。由于聲力的作用，這些體外模型無需長時間培養(yǎng)來形成連接，而生物水凝膠提供結構支撐和細胞外基質的富集環(huán)境。因此這種技術在結構和基質環(huán)境多個維度更加真實地模擬體內情況，有著極高效率，期望能夠便利相關生物科學研究和快速藥物開發(fā)篩選應用。

Fig. 1 聲波組裝3D細胞團陣列示意圖

圖1中展示了該技術的原理示意圖，兩對叉指電極用來產生聲表面駐波，兩束垂直的駐波相互干涉，將產生規(guī)律排布的聲勢阱，在勢阱周圍的細胞將在聲輻射力和聲流的綜合作用下聚集成3D細胞團。細胞懸浮在8 w/v% GelMA （EFL團隊提供，GelMA-60）溶液中，當曝光區(qū)域與聲勢阱區(qū)域正好一致時，便在每個細胞團周圍形成了水凝膠柱的陣列。最終具有三維結構的細胞團陣列便在芯片上制造了出來，這些模型不需要額外的長時間培養(yǎng)便有著緊密的內部連接。并且通過控制不大的細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胞團簇，有著較大的適用性。圖2中展示了聲場的結構（2a），和在聲場中細胞受力圖（2b）。通過三維confocal熒光圖可以看到這種技術可以形成理想的水凝膠柱的微結構（2c），這給細胞團創(chuàng)造了理想的基質環(huán)境和結構支撐。明場和熒光confocal圖很好地論證了這項技術所構造模型的三維形態(tài)，這種模型單元有著規(guī)律的形態(tài)和緊密的三維結構，將很好模擬體內真實形態(tài)和環(huán)境，并直接便利下游的應用。

Fig. 2（a-b）對聲場結構的模擬以及細胞在聲場中受力圖。（c）GelMA水凝膠形成地微柱陣列。（d-e）水凝膠包裹地三維細胞團的明場和熒光表征圖。（f）構造的細胞團三維confocal圖

作為論證，本文制造了腫瘤團模型陣列，并結合了使用樹狀結構的微流控芯片用以產生多種藥物梯度。不同濃度藥物溶液流過該陣列，每個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中，因此同時監(jiān)測了腫瘤團在多達十種藥物濃度作用下的活性變換。該技術可以快速制造細胞團或者組織的體外模型，真實模擬體內環(huán)境，并可以在快速藥篩等領域展現其獨特的優(yōu)勢，以便推動相關研究和應用。

Figure 3 細胞團陣列在藥物梯度場中活性變化測試

Figure 4 高通量藥物篩選測試

Figure.5 不同尺寸細胞團的聚集，以及無聲波時對比實驗

武漢大學物理科學與技術學院的胡學佳博士、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