研究背景

正如沒(méi)有相同的兩片葉子一樣，世界上也沒(méi)有一模一樣的兩個(gè)細(xì)胞。

細(xì)胞作為生命的最小單位，承載著許多絢麗生命現(xiàn)象的發(fā)生。每個(gè)細(xì)胞都是無(wú)二的，異質(zhì)性是細(xì)胞的天然特性之一，看似相同的一群細(xì)胞，其內(nèi)部有可能存在著本質(zhì)的差別。研究單個(gè)細(xì)胞可以很好的認(rèn)識(shí)到細(xì)胞異質(zhì)性，更好的對(duì)疾病進(jìn)行解讀。單細(xì)胞分析對(duì)細(xì)胞異質(zhì)學(xué)、遺傳代謝、基因工程領(lǐng)域及毒性檢測(cè)方面的研究具有重要意義，而單細(xì)胞分析的前提是捕獲單個(gè)細(xì)胞并形成單細(xì)胞陣列。

目前，常用的細(xì)胞捕獲方法大多數(shù)與微流控技術(shù)相結(jié)合，主要包括單光束激光法、介電泳、聲鑷及磁鑷等。介電泳捕獲的原理是使細(xì)胞在非均勻電場(chǎng)極化，從而在介電泳力的作用下運(yùn)動(dòng)或者被勢(shì)阱限制。聲鑷則是利用超聲駐波產(chǎn)生聲壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)單細(xì)胞的操縱和捕獲。顯然，利用上述方式進(jìn)行細(xì)胞捕獲后，維持細(xì)胞被捕獲的狀態(tài)需要外加的電場(chǎng)和磁場(chǎng)等。一旦取消外加物理場(chǎng)的作用，細(xì)胞很容易回到無(wú)序狀態(tài)，不利于后續(xù)進(jìn)一步的表征和分析。因此，發(fā)展一種類(lèi)似于微結(jié)構(gòu)的方式，便于實(shí)現(xiàn)捕獲后細(xì)胞的固定、培養(yǎng)和觀(guān)測(cè)是單細(xì)胞分析亟需解決的難題。

創(chuàng)新工作

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所王曉朵副研究員和東北大學(xué)孫麗娜副教授針對(duì)高通量單細(xì)胞捕獲的應(yīng)用需求，基于飛秒激光單脈沖多光子聚合技術(shù)，結(jié)合毛細(xì)力自組裝原理，提出了一種基于微柱陣列自組裝的單細(xì)胞陣列限域被動(dòng)捕獲方法，實(shí)現(xiàn)了人乳腺癌（MCF-7）單細(xì)胞陣列的高通量原位捕獲。該方法可有效產(chǎn)生大規(guī)模的單細(xì)胞陣列，在單細(xì)胞水平特異性分析和藥物篩選等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。

針對(duì)多光子聚合軸向加工效率較低的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了基于高縱寬比聚焦光斑進(jìn)行微柱單脈沖多光子聚合加工的方法，實(shí)驗(yàn)原理如圖 1（a）所示。激光光束經(jīng)物鏡聚焦形成呈狹長(zhǎng)的橢球形分布的高縱寬比聚焦光斑。向上移動(dòng)光刻膠樣品時(shí)，經(jīng)過(guò)聚焦光斑區(qū)域且滿(mǎn)足聚合能量閾值的光刻膠發(fā)生多光子聚合，形成高縱寬比微柱。通過(guò)調(diào)節(jié)橢球形光斑浸沒(méi)到光刻膠中的高度，可實(shí)現(xiàn)聚合微柱高度和直徑的調(diào)控。該方法中，每根微柱的曝光時(shí)間僅為單個(gè)飛秒激光脈沖寬度，即217 fs，可以極大提高微柱的軸向加工效率。

圖1 單脈沖多光子聚合實(shí)驗(yàn)原理及加工結(jié)果。（a）單脈沖多光子聚合原理示意圖；（b）（c）單脈沖多光子聚合加工得到的高度為5 μm和40 μm的4×4微柱陣列；（d）入射激光功率為0.4 W-0.8 W時(shí)，微柱直徑隨高度的關(guān)系變化曲線(xiàn)

當(dāng)相鄰微柱間的距離足夠近時(shí)，微柱受到的靜毛細(xì)力大于彈性恢復(fù)力，微柱間發(fā)生毛細(xì)力自組裝，形成微柱簇結(jié)構(gòu)。圖2中微籠結(jié)構(gòu)由微柱自組裝而成，從微結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡（SEM）圖像可以看出，自組裝的微柱緊密連接在一起。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將該結(jié)構(gòu)再次浸潤(rùn)在液體環(huán)境中時(shí)，自組裝狀態(tài)仍可繼續(xù)保持，可以在無(wú)外場(chǎng)作用力的條件下，穩(wěn)定維持單個(gè)細(xì)胞的捕獲狀態(tài)。

圖2 基于毛細(xì)力自組裝的圖案化微結(jié)構(gòu)陣列SEM表征結(jié)果，微柱聚合的激光功率為0.4 W。（a）由4個(gè)微柱自組裝形成的微籠結(jié)構(gòu)陣列，右上角為單個(gè)微籠的側(cè)視放大圖；（b）由8個(gè)微柱自組裝形成的“四葉草"微結(jié)構(gòu)陣列，右上角為單個(gè)微結(jié)構(gòu)的側(cè)視放大圖

在上述基礎(chǔ)上，開(kāi)展基于毛細(xì)力自組裝原理的單細(xì)胞陣列原位捕獲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。優(yōu)化微柱間距和高度后，在由微柱組成的微結(jié)構(gòu)陣列上接種MCF-7細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，被捕獲細(xì)胞的尺寸與微結(jié)構(gòu)單元的直徑相近，且每個(gè)微籠結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞數(shù)量均為一個(gè)，該方法可以有效實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞陣列的高通量捕獲，不同微結(jié)構(gòu)捕獲的單細(xì)胞陣列如圖3所示。由于自組裝結(jié)構(gòu)僅可以捕獲于微籠直徑相近尺寸的細(xì)胞，因此捕獲的細(xì)胞直徑較為統(tǒng)一，可為不同直徑的細(xì)胞分選提供新的方法。

圖3 細(xì)胞原位捕獲圖。(a)(b)(c)分別是四個(gè)微柱結(jié)構(gòu)原位捕獲細(xì)胞的熒光圖像、光學(xué)圖像及SEM圖；(d)(e)(f)分別是六個(gè)微柱結(jié)構(gòu)原位捕獲細(xì)胞的熒光圖像、光學(xué)圖像及SEM圖；(g)(h)(i)分別是八個(gè)微柱結(jié)構(gòu)原位捕獲細(xì)胞的熒光圖像、光學(xué)圖像及SEM圖

總結(jié)

團(tuán)隊(duì)基于飛秒激光單脈沖多光子聚合技術(shù)，結(jié)合毛細(xì)力自組裝原理，實(shí)現(xiàn)了 MCF-7單細(xì)胞陣列的高通量原位捕獲。所提方法為不同尺寸細(xì)胞的分選、捕獲及原位觀(guān)測(cè)提供了一種較為簡(jiǎn)便的方法，有望應(yīng)用于生物工程、醫(yī)藥分析等領(lǐng)域。后續(xù)將基于單細(xì)胞原位捕獲方法，開(kāi)展微結(jié)構(gòu)對(duì)單細(xì)胞行為特性影響的表征和細(xì)胞限域生長(zhǎng)特性的相關(guān)研究

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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