微流控技术助力细胞迁移的研究与应用

细胞的趋化性迁移对于多种生物活动及临床具有重要意义，其在免疫反应、癌症转移和组织再生等众多生理病理活动中起着关键作用。

相较于传统的细胞趋化迁移检测技术，微流控芯片能在微尺度下精确控制细胞微环境和实时观测细胞迁移的动态过程，逐渐成为开展定量细胞迁移研究的有力工具，同时还在揭示细胞迁移机制及其相关疾病诊疗方面展现了丰富的应用场景。

微流控细胞迁移技术最近研究进展如何？应用方向有哪些？前景怎样？近日，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员、博士生导师巫建东博士，围绕“基于微流控的细胞趋化迁移研究”进行报告分享，介绍了他在该领域的最新研究进展。

 

从中国科学技术大学本科毕业后，他进入中国科学院合肥物质科学研究院并获得硕士学位。2016年，他在加拿大曼尼托巴大学获得生物系统工程博士学位，随后在该校理学院从事博士后研究工作。2020年，他回国并加入中国科学院深圳先进技术研究院。

目前，巫建东是中国科学院深圳先进技术研究院副研究员、博士生导师，研究领域涵盖微流控技术、细胞迁移、器官芯片、体外诊断、智能图像分析、生物传感与检测系统以及免疫系统与肿瘤微环境等，他的主要研究方向为开发基于微流控芯片的细胞迁移检测技术和系统，以及探索该技术在机制研究、疾病诊断、药物筛选等方面的应用。

迄今为止，巫建东已在Lab on a Chip、npj Digital Medicine、ACS Sensors、Biosensors and Bioelectronics、Plos One等国际期刊发表SCI论文30余篇，申请4项PCT国际专利。除此之外，他还入选深圳市海外高层次人才，曾主持国家自然科学基金、广东省基金委粤深联合基金、深圳市科创委基础研究基金等多个科研项目。

微流控技术助力细胞迁移的研究与应用

在报告分享中，巫建东首先介绍了细胞迁移和微流控。“所谓细胞迁移，是指细胞在接收到迁移信号或感受到某些物质的梯度后而产生的移动。”他说道，“细胞迁移为正常细胞的基本功能之一，是机体正常生长发育的生理过程，也是活细胞普遍存在的一种运动形式。在免疫反应、癌症转移、神经发生、血管生成、伤口愈合等过程中都涉及细胞迁移。”

其中，有些细胞迁移是有益的，比如免疫细胞迁移至感染部位以抵抗病原入侵。另外，有些细胞迁移则是有害的，比如癌细胞的转移。“细胞的状态和功能与疾病的产生和发展密切相关，传统的标志物主要是基于细胞的数量、形态等参数，相较之下，细胞的迁移功能是一种潜在的疾病诊断新型标志物。”巫建东介绍说。

 

▲图｜细胞迁移可作为潜在的疾病诊断新型标志物（来源：PNAS）

调控细胞迁移的外界环境因素有多种，比如电场、磁场、化学场以及机械力等。“传统的细胞迁移检测方法难以形成稳定的浓度梯度，业界亟待需要一种全新方法来形成稳定浓度梯度来检测细胞迁移，而微流控技术则可以很好地满足这一需求。”巫建东指出。

所谓微流控，即微尺度的流体操控技术，微流控技术借助独特的流体现象能够实现一系列常规方法难以完成的微操作，在生物医学研究中具有较大发展潜力和广阔应用前景。而微流控装置则通常被称为微流控芯片，其具有微型化、集成化等优势。

关于使用微流控芯片进行细胞趋化迁移的相关研究，巫建东介绍道，比如借助微流控芯片可以用来探索细胞感应时空变化信号的机制。“一般认为，细胞感受时空变化浓度梯度变化的方式有两种，即时间浓度和空间浓度。”他说道，“比如细菌在浓度梯度中随机游走，当感受到浓度发生改变之后会向高浓度区域进行有偏向的随机游走，细菌可以感受到不同时间的浓度变化来进行诱导定向迁移；再比如，一些细胞感受到空间位置（前段和后端）的浓度差，空间的浓度差可以诱导细胞向高浓度区域进行定向迁移。微流控能有效解耦时间和空间浓度变化的信号，从而更好的揭示细胞迁移感应时空信号的机制。”

只需一滴血即可快速检测免疫细胞迁移

巫建东展示了他及其合作者在微流控细胞迁移领域所取得的一些研究成果。“我们开发了可以用一滴血快速进行免疫细胞迁移检测的微流控芯片。传统的方法是先将免疫细胞在片外进行分离，然后把纯化的免疫细胞随机分布在通道中，需要借助流体泵注入溶液生成梯度，这种方法用来分析细胞迁移轨迹较为复杂。”他补充说。

据介绍，他们设计的新型微流控芯片可使免疫细胞的分离和趋化在同一芯片中完成，融合磁珠标记和重力压力差的方法，在不借助外部流体控制设备的条件下可以形成非常稳定的浓度梯度。“此外，我们还开发了细胞预排列结构，如此一来，细胞迁移的‘起跑线’便框定在了同一区域，进而，可以对细胞迁移距离进行快速分析。”他说。

相较于传统方法，这项技术将整个试验的时间从原来的3小时缩短到25分钟；所需血量从10mL减少到10µL，而且操作简单，无需流体泵，只需液枪即可完成整个流程。“基于该方法分离出的中性粒细胞纯度可达99%以上，而且在引入趋化物后细胞会迅速向高浓度区域进行定向迁移，证明该方法是非常有效的。”巫建东表示。

 

▲图｜一滴血快速检测免疫细胞迁移技术

此外，他们还开发了一种高通量微流控芯片，深入研究了乳腺癌细胞的迁移机制。“我们对微流控芯片进行了一些改进，通过对细胞预排列结构的尺寸进行优化调整以适合癌细胞的迁移，借助压力差的方式来驱动流体，同时用油滴连通两个入口来实现压力平衡，从而保证了浓度梯度在空间和时间上的稳定性。”他介绍道，“试验结果显示，趋化物能够有效诱导乳腺癌细胞的趋化性，且趋化物的空间浓度梯度是诱导乳腺癌细胞定向迁移的关键。他们还展示了开发的这种高通量微流控芯片在癌细胞迁移靶向药物评估方面的应用。”

 

▲图｜高通量微流控芯片的设计与操作流程（来源：Lab on a Chip）

微流控细胞迁移实验往往需要借助传统的活细胞工作站，其体积庞大、价格昂贵、操作复杂，无法满足一些便携式应用场景的需求，巫建东课题组研发了一系列新型便携式细胞迁移检测成像系统。

“我们开发了一种基于USB显微镜的微流控细胞迁移成像系统和配套的图像处理软件，目前这套设备已经取得了美国专利。此外，还开发了一种基于手机摄像头的微流控细胞迁移成像系统。”巫建东介绍道，“为了进一步提升成像质量，我们将光学显微成像模块和温湿度环境控制模块进行有机结合，开发出一种集成式的微流控细胞迁移成像系统，其细胞迁移成像效果与传统活细胞工作站成像效果相当。”

 

▲图｜基于手机的微流控细胞迁移成像系统（来源：Biosensors and Bioelectronics）

应用层面，巫建东以中性粒细胞和T淋巴细胞为例，展示免疫细胞迁移在慢阻肺研究和诊断方面的研究进展。对于慢阻肺，传统的诊断方法是通过肺功能评估来分析病情，其灵敏度和特异性较低。“在病理学上，呼吸道在外界刺激下会分泌一些细胞因子，细胞因子会吸引血液中的免疫细胞聚集，进而引发呼吸道炎症、呼吸困难等症状。”巫建东说道。

“我们提取慢阻肺患者的血样和痰样，用微流控芯片检测血样中的中性粒细胞在痰样上清液浓度梯度的迁移，试验结果显示，细胞迁移指标和传统肺功能指标负相关，这表明，痰样诱导中性粒细胞的迁移可以作为潜在慢阻肺检测标志物。”他指出，“我们还采用微流控芯片测试痰样对T淋巴细胞迁移的影响，发现结果与中性粒细胞恰恰相反，痰样上清液对T淋巴细胞迁移起到抑制效果。”

除此之外，巫建东表示，“微流控细胞迁移未来在治疗方面也拥有丰富的应用场景，比如针对当下比较热门的肿瘤免疫细胞疗法，CAR-T细胞疗法，改造后的T细胞迁移到肿瘤部位的效率还有待进一步提高，基于我们微流控细胞迁移技术的研究，可以筛选和分离出迁移比较好的T细胞，然后将其输回患者体内，从而实现更好的治疗效果。”

深度学习加速细胞迁移研究进程

最后，巫建东对微流控细胞迁移研究领域进行了总结与展望。“微流控芯片是定量研究细胞迁移的重要工具，能在机制研究、疾病诊疗、药物筛选等方面发挥重要作用。”他表示，“但是，现阶段缺乏标准化芯片和方法是制约微流控细胞迁移技术广泛应用的限制因素，对此，研发简单易用、高通量的微流控芯片和检测系统是解决这一挑战的有效方法。”

除此之外，“基于微流控的细胞迁移研究揭示了中性粒细胞和T淋巴细胞在慢阻肺病中截然相反的两种不同反应，相信后续我们结合深入的分子机制研究，将为慢阻肺病的发病机制研究、精准诊断和药物开发提供有力支撑。”巫建东表示。

他还介绍了微流控细胞迁移研究当前面临的一些痛点。“对于细胞迁移研究，传统的方法是人工手动追踪的方式对细胞迁移轨迹进行记录和量化分析，费时费力，存在人为误差，而深度学习技术有望成为解决这一难题的有力工具。但也存在一些挑战，如何克服细胞变形、消失、分裂、碰撞等挑战，准确的分割和追踪细胞是细胞迁移数据分析中的难点。”巫建东总结道。

审核编辑 ：李倩