細(xì)胞的趨化性遷移對(duì)于多種生物活動(dòng)及臨床具有重要意義，其在免疫反應(yīng)、癌癥轉(zhuǎn)移和組織再生等眾多生理病理活動(dòng)中起著關(guān)鍵作用。

相較于傳統(tǒng)的細(xì)胞趨化遷移檢測(cè)技術(shù)，微流控芯片能在微尺度下精確控制細(xì)胞微環(huán)境和實(shí)時(shí)觀測(cè)細(xì)胞遷移的動(dòng)態(tài)過程，逐漸成為開展定量細(xì)胞遷移研究的有力工具，同時(shí)還在揭示細(xì)胞遷移機(jī)制及其相關(guān)疾病診療方面展現(xiàn)了豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。

微流控細(xì)胞遷移技術(shù)最近研究進(jìn)展如何？應(yīng)用方向有哪些？前景怎樣？近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員、博士生導(dǎo)師巫建東博士，圍繞“基于微流控的細(xì)胞趨化遷移研究”進(jìn)行報(bào)告分享，介紹了他在該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。

從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)后，他進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院并獲得碩士學(xué)位。2016年，他在加拿大曼尼托巴大學(xué)獲得生物系統(tǒng)工程博士學(xué)位，隨后在該校理學(xué)院從事博士后研究工作。2020年，他回國(guó)并加入中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院。

目前，巫建東是中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員、博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域涵蓋微流控技術(shù)、細(xì)胞遷移、器官芯片、體外診斷、智能圖像分析、生物傳感與檢測(cè)系統(tǒng)以及免疫系統(tǒng)與腫瘤微環(huán)境等，他的主要研究方向?yàn)殚_發(fā)基于微流控芯片的細(xì)胞遷移檢測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)，以及探索該技術(shù)在機(jī)制研究、疾病診斷、藥物篩選等方面的應(yīng)用。

迄今為止，巫建東已在Lab on a Chip、npj Digital Medicine、ACS Sensors、Biosensors and Bioelectronics、Plos One等國(guó)際期刊發(fā)表SCI論文30余篇，申請(qǐng)4項(xiàng)PCT國(guó)際專利。除此之外，他還入選深圳市海外高層次人才，曾主持國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基金委粵深聯(lián)合基金、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究基金等多個(gè)科研項(xiàng)目。

微流控技術(shù)助力細(xì)胞遷移的研究與應(yīng)用

在報(bào)告分享中，巫建東首先介紹了細(xì)胞遷移和微流控。“所謂細(xì)胞遷移，是指細(xì)胞在接收到遷移信號(hào)或感受到某些物質(zhì)的梯度后而產(chǎn)生的移動(dòng)。”他說道，“細(xì)胞遷移為正常細(xì)胞的基本功能之一，是機(jī)體正常生長(zhǎng)發(fā)育的生理過程，也是活細(xì)胞普遍存在的一種運(yùn)動(dòng)形式。在免疫反應(yīng)、癌癥轉(zhuǎn)移、神經(jīng)發(fā)生、血管生成、傷口愈合等過程中都涉及細(xì)胞遷移。”

其中，有些細(xì)胞遷移是有益的，比如免疫細(xì)胞遷移至感染部位以抵抗病原入侵。另外，有些細(xì)胞遷移則是有害的，比如癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。“細(xì)胞的狀態(tài)和功能與疾病的產(chǎn)生和發(fā)展密切相關(guān)，傳統(tǒng)的標(biāo)志物主要是基于細(xì)胞的數(shù)量、形態(tài)等參數(shù)，相較之下，細(xì)胞的遷移功能是一種潛在的疾病診斷新型標(biāo)志物。”巫建東介紹說。

▲圖｜細(xì)胞遷移可作為潛在的疾病診斷新型標(biāo)志物（來源：PNAS）

調(diào)控細(xì)胞遷移的外界環(huán)境因素有多種，比如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)以及機(jī)械力等。“傳統(tǒng)的細(xì)胞遷移檢測(cè)方法難以形成穩(wěn)定的濃度梯度，業(yè)界亟待需要一種全新方法來形成穩(wěn)定濃度梯度來檢測(cè)細(xì)胞遷移，而微流控技術(shù)則可以很好地滿足這一需求。”巫建東指出。

所謂微流控，即微尺度的流體操控技術(shù)，微流控技術(shù)借助獨(dú)特的流體現(xiàn)象能夠?qū)崿F(xiàn)一系列常規(guī)方法難以完成的微操作，在生物醫(yī)學(xué)研究中具有較大發(fā)展?jié)摿蛷V闊應(yīng)用前景。而微流控裝置則通常被稱為微流控芯片，其具有微型化、集成化等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)于使用微流控芯片進(jìn)行細(xì)胞趨化遷移的相關(guān)研究，巫建東介紹道，比如借助微流控芯片可以用來探索細(xì)胞感應(yīng)時(shí)空變化信號(hào)的機(jī)制。“一般認(rèn)為，細(xì)胞感受時(shí)空變化濃度梯度變化的方式有兩種，即時(shí)間濃度和空間濃度。”他說道，“比如細(xì)菌在濃度梯度中隨機(jī)游走，當(dāng)感受到濃度發(fā)生改變之后會(huì)向高濃度區(qū)域進(jìn)行有偏向的隨機(jī)游走，細(xì)菌可以感受到不同時(shí)間的濃度變化來進(jìn)行誘導(dǎo)定向遷移；再比如，一些細(xì)胞感受到空間位置（前段和后端）的濃度差，空間的濃度差可以誘導(dǎo)細(xì)胞向高濃度區(qū)域進(jìn)行定向遷移。微流控能有效解耦時(shí)間和空間濃度變化的信號(hào)，從而更好的揭示細(xì)胞遷移感應(yīng)時(shí)空信號(hào)的機(jī)制。”

只需一滴血即可快速檢測(cè)免疫細(xì)胞遷移

巫建東展示了他及其合作者在微流控細(xì)胞遷移領(lǐng)域所取得的一些研究成果。“我們開發(fā)了可以用一滴血快速進(jìn)行免疫細(xì)胞遷移檢測(cè)的微流控芯片。傳統(tǒng)的方法是先將免疫細(xì)胞在片外進(jìn)行分離，然后把純化的免疫細(xì)胞隨機(jī)分布在通道中，需要借助流體泵注入溶液生成梯度，這種方法用來分析細(xì)胞遷移軌跡較為復(fù)雜。”他補(bǔ)充說。

據(jù)介紹，他們?cè)O(shè)計(jì)的新型微流控芯片可使免疫細(xì)胞的分離和趨化在同一芯片中完成，融合磁珠標(biāo)記和重力壓力差的方法，在不借助外部流體控制設(shè)備的條件下可以形成非常穩(wěn)定的濃度梯度。“此外，我們還開發(fā)了細(xì)胞預(yù)排列結(jié)構(gòu)，如此一來，細(xì)胞遷移的‘起跑線’便框定在了同一區(qū)域，進(jìn)而，可以對(duì)細(xì)胞遷移距離進(jìn)行快速分析。”他說。

相較于傳統(tǒng)方法，這項(xiàng)技術(shù)將整個(gè)試驗(yàn)的時(shí)間從原來的3小時(shí)縮短到25分鐘；所需血量從10mL減少到10μL，而且操作簡(jiǎn)單，無需流體泵，只需液槍即可完成整個(gè)流程。“基于該方法分離出的中性粒細(xì)胞純度可達(dá)99%以上，而且在引入趨化物后細(xì)胞會(huì)迅速向高濃度區(qū)域進(jìn)行定向遷移，證明該方法是非常有效的。”巫建東表示。

▲圖｜一滴血快速檢測(cè)免疫細(xì)胞遷移技術(shù)

此外，他們還開發(fā)了一種高通量微流控芯片，深入研究了乳腺癌細(xì)胞的遷移機(jī)制。“我們對(duì)微流控芯片進(jìn)行了一些改進(jìn)，通過對(duì)細(xì)胞預(yù)排列結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以適合癌細(xì)胞的遷移，借助壓力差的方式來驅(qū)動(dòng)流體，同時(shí)用油滴連通兩個(gè)入口來實(shí)現(xiàn)壓力平衡，從而保證了濃度梯度在空間和時(shí)間上的穩(wěn)定性。”他介紹道，“試驗(yàn)結(jié)果顯示，趨化物能夠有效誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞的趨化性，且趨化物的空間濃度梯度是誘導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞定向遷移的關(guān)鍵。他們還展示了開發(fā)的這種高通量微流控芯片在癌細(xì)胞遷移靶向藥物評(píng)估方面的應(yīng)用。”

▲圖｜高通量微流控芯片的設(shè)計(jì)與操作流程（來源：Lab on a Chip）

微流控細(xì)胞遷移實(shí)驗(yàn)往往需要借助傳統(tǒng)的活細(xì)胞工作站，其體積龐大、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，無法滿足一些便攜式應(yīng)用場(chǎng)景的需求，巫建東課題組研發(fā)了一系列新型便攜式細(xì)胞遷移檢測(cè)成像系統(tǒng)。

“我們開發(fā)了一種基于USB顯微鏡的微流控細(xì)胞遷移成像系統(tǒng)和配套的圖像處理軟件，目前這套設(shè)備已經(jīng)取得了美國(guó)專利。此外，還開發(fā)了一種基于手機(jī)攝像頭的微流控細(xì)胞遷移成像系統(tǒng)。”巫建東介紹道，“為了進(jìn)一步提升成像質(zhì)量，我們將光學(xué)顯微成像模塊和溫濕度環(huán)境控制模塊進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，開發(fā)出一種集成式的微流控細(xì)胞遷移成像系統(tǒng)，其細(xì)胞遷移成像效果與傳統(tǒng)活細(xì)胞工作站成像效果相當(dāng)。”

▲圖｜基于手機(jī)的微流控細(xì)胞遷移成像系統(tǒng)（來源：Biosensors and Bioelectronics）

應(yīng)用層面，巫建東以中性粒細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞為例，展示免疫細(xì)胞遷移在慢阻肺研究和診斷方面的研究進(jìn)展。對(duì)于慢阻肺，傳統(tǒng)的診斷方法是通過肺功能評(píng)估來分析病情，其靈敏度和特異性較低。“在病理學(xué)上，呼吸道在外界刺激下會(huì)分泌一些細(xì)胞因子，細(xì)胞因子會(huì)吸引血液中的免疫細(xì)胞聚集，進(jìn)而引發(fā)呼吸道炎癥、呼吸困難等癥狀。”巫建東說道。

“我們提取慢阻肺患者的血樣和痰樣，用微流控芯片檢測(cè)血樣中的中性粒細(xì)胞在痰樣上清液濃度梯度的遷移，試驗(yàn)結(jié)果顯示，細(xì)胞遷移指標(biāo)和傳統(tǒng)肺功能指標(biāo)負(fù)相關(guān)，這表明，痰樣誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞的遷移可以作為潛在慢阻肺檢測(cè)標(biāo)志物。”他指出，“我們還采用微流控芯片測(cè)試痰樣對(duì)T淋巴細(xì)胞遷移的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與中性粒細(xì)胞恰恰相反，痰樣上清液對(duì)T淋巴細(xì)胞遷移起到抑制效果。”

除此之外，巫建東表示，“微流控細(xì)胞遷移未來在治療方面也擁有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，比如針對(duì)當(dāng)下比較熱門的腫瘤免疫細(xì)胞療法，CAR-T細(xì)胞療法，改造后的T細(xì)胞遷移到腫瘤部位的效率還有待進(jìn)一步提高，基于我們微流控細(xì)胞遷移技術(shù)的研究，可以篩選和分離出遷移比較好的T細(xì)胞，然后將其輸回患者體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)更好的治療效果。”

深度學(xué)習(xí)加速細(xì)胞遷移研究進(jìn)程

最后，巫建東對(duì)微流控細(xì)胞遷移研究領(lǐng)域進(jìn)行了總結(jié)與展望。“微流控芯片是定量研究細(xì)胞遷移的重要工具，能在機(jī)制研究、疾病診療、藥物篩選等方面發(fā)揮重要作用。”他表示，“但是，現(xiàn)階段缺乏標(biāo)準(zhǔn)化芯片和方法是制約微流控細(xì)胞遷移技術(shù)廣泛應(yīng)用的限制因素，對(duì)此，研發(fā)簡(jiǎn)單易用、高通量的微流控芯片和檢測(cè)系統(tǒng)是解決這一挑戰(zhàn)的有效方法。”

除此之外，“基于微流控的細(xì)胞遷移研究揭示了中性粒細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞在慢阻肺病中截然相反的兩種不同反應(yīng)，相信后續(xù)我們結(jié)合深入的分子機(jī)制研究，將為慢阻肺病的發(fā)病機(jī)制研究、精準(zhǔn)診斷和藥物開發(fā)提供有力支撐。”巫建東表示。

他還介紹了微流控細(xì)胞遷移研究當(dāng)前面臨的一些痛點(diǎn)。“對(duì)于細(xì)胞遷移研究，傳統(tǒng)的方法是人工手動(dòng)追蹤的方式對(duì)細(xì)胞遷移軌跡進(jìn)行記錄和量化分析，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，存在人為誤差，而深度學(xué)習(xí)技術(shù)有望成為解決這一難題的有力工具。但也存在一些挑戰(zhàn)，如何克服細(xì)胞變形、消失、分裂、碰撞等挑戰(zhàn)，準(zhǔn)確的分割和追蹤細(xì)胞是細(xì)胞遷移數(shù)據(jù)分析中的難點(diǎn)。”巫建東總結(jié)道。

審核編輯 ：李倩