声波与水凝胶结合——体外3D细胞团模型快速构建

来源： EngineeringForLife  

为了方便地研究细胞或者组织团簇在体内的生化行为，需要快速且低成本地构建体外三维细胞团模型。比如在肿瘤疾病的研究和治疗中，体外进行的肿瘤细胞团药筛测试能够给药物开发和个性化药物治疗方案的制定提供关键指导。体内的组织团都有着自己的三维结构，内部细胞之间相互连接黏附，同时这些细胞团被周围组织支撑包裹，并受到自身或者周围细胞综合产生的细胞外基质环境调控，这种聚集效应使得其展现出相应独特的行为、功能、和生化特性（比如抗药性）。因此如何有效地形成细胞间物理/生化连接，并真实模拟细胞外三维基质环境是下游应用的关键前提，同时也是目前传统方案的短板。因为传统思路往往依赖长时间培养将散装分布的细胞连接成团簇，缺乏高效无损的直接团聚细胞的外力，导致效率低下，且难以组装出具有3D结构细胞团。

近期武汉大学杨奕教授团队在Lab on a chip杂志上发表了题为“On-chip hydrogelarrays individually encapsulating acoustic formed multicellular aggregates forhigh throughput drug testing”的研究论文，提出了一种基于声力快速3D细胞团阵列的组装技术，并制造了微型水凝胶阵列包裹以提供3D支撑和细胞外基质环境。这种技术能够在声力与声流效应综合作用下将波节点附近细胞聚集成理想的3D细胞团结构，悬浮在环境中，使得细胞免于受到基底的影响。借助于GelMA水凝胶优异的微纳加工性能，在芯片上对这些细胞团进行独立的包裹，保持其三维球形结构，最终在一个芯片上可以一次产生成数千个3D细胞团阵列。由于声力的作用，这些体外模型无需长时间培养来形成连接，而生物水凝胶提供结构支撑和细胞外基质的富集环境。因此这种技术在结构和基质环境多个维度更加真实地模拟体内情况，有着极高效率，期望能够便利相关生物科学研究和快速药物开发筛选应用。

Fig. 1 声波组装3D细胞团阵列示意图

图1中展示了该技术的原理示意图，两对叉指电极用来产生声表面驻波，两束垂直的驻波相互干涉，将产生规律排布的声势阱，在势阱周围的细胞将在声辐射力和声流的综合作用下聚集成3D细胞团。细胞悬浮在8 w/v% GelMA （EFL团队提供，GelMA-60）溶液中，当曝光区域与声势阱区域正好一致时，便在每个细胞团周围形成了水凝胶柱的阵列。最终具有三维结构的细胞团阵列便在芯片上制造了出来，这些模型不需要额外的长时间培养便有着紧密的内部连接。并且通过控制不大的细胞浓度或者声波波长，可以形成从几十微米到上千微米尺寸的细胞团簇，有着较大的适用性。图2中展示了声场的结构（2a），和在声场中细胞受力图（2b）。通过三维confocal荧光图可以看到这种技术可以形成理想的水凝胶柱的微结构（2c），这给细胞团创造了理想的基质环境和结构支撑。明场和荧光confocal图很好地论证了这项技术所构造模型的三维形态，这种模型单元有着规律的形态和紧密的三维结构，将很好模拟体内真实形态和环境，并直接便利下游的应用。

Fig. 2（a-b）对声场结构的模拟以及细胞在声场中受力图。（c）GelMA水凝胶形成地微柱阵列。（d-e）水凝胶包裹地三维细胞团的明场和荧光表征图。（f）构造的细胞团三维confocal图

作为论证，本文制造了肿瘤团模型阵列，并结合了使用树状结构的微流控芯片用以产生多种药物梯度。不同浓度药物溶液流过该阵列，每个阵列的竖列处于相同浓度溶液中，而横列则处于梯度药物场中，因此同时监测了肿瘤团在多达十种药物浓度作用下的活性变换。该技术可以快速制造细胞团或者组织的体外模型，真实模拟体内环境，并可以在快速药筛等领域展现其独特的优势，以便推动相关研究和应用。

Figure 3 细胞团阵列在药物梯度场中活性变化测试

Figure 4 高通量药物筛选测试

Figure.5 不同尺寸细胞团的聚集，以及无声波时对比实验

武汉大学物理科学与技术学院的胡学佳博士、赵书堃博士为本文第一作者，杨奕教授为本文通讯作者。

论文地址：
http://dx.doi.org/10.1039/d0lc00255k