異質細胞間通信對于多細胞生物體調節許多生物過程具有重要的作用，包括發育、分化和免疫調節等。此外，它們還與多種疾病的發生發展密切相關，如癌癥、自身免疫性疾病和血栓。了解異質細胞間通訊對于揭示許多生理和病理過程機制至關重要，并將有利于新藥的開發。體外細胞共培養是研究細胞間通訊的常用方法，通過將不同類型的細胞共同培養，檢查不同細胞群之間的相互作用。然而，傳統的共培養方法依賴于細胞群，因此只能給出細胞群水平的平均化結果。近年來，基于微流控平臺的單細胞共培養已成為一種新穎的培養技術。它使用合理設計的微流控平臺將不同類型的單細胞共同捕獲和培養，可以在單細胞水平揭示不同類型細胞之間的相互作用，并可能揭示一些生理和病理過程的未知機制。

近期，中山大學周建華教授、黃璐助理教授和廣州醫科大學陳寅副教授在Cell Reports Physical Science期刊上發表了題為“Interrogation of single-cell communications on microfluidic platforms”的長篇綜述文章，全面介紹了基于微流控平臺的單細胞通訊研究進展，討論了當前技術的優缺點，并總結了該領域的機遇和挑戰。黃璐助理教授為該文章的第一作者，陳寅副教授和周建華教授為通訊作者。

兩種異質細胞的共培養

探索兩個異質細胞之間的通信是揭示多細胞生物中更復雜的相互作用的第一步。為此，需要可以配對異質單細胞的共培養系統，用于在密閉空間中建立單細胞對。單細胞配對是實現單細胞通訊研究的最關鍵和最具挑戰性的一步。常見的單細胞配對策略可分為兩類：隨機性配對和確定性配對。對于基于隨機方法的微流控平臺，由于異質單細胞通常以隨機方式共捕獲，因此配對率服從泊松分布并且相對較低。相反，確定性配對方法以可控方式共捕獲細胞，從而可以大大提高配對效率。

雖然極低的配對率是隨機配對方法的常見問題，但由于這些方法簡單易操作，許多研究人員開發了隨機單細胞配對平臺。根據設計的微觀結構，這些平臺可以進一步分為三大類，分別為基于微孔、基于流體動力陷阱和基于微滴的隨機細胞配對（圖1）。

圖1 用于兩個異質單細胞共培養的隨機細胞配對

低配對效率和可重復性是隨機單細胞配對策略的固有缺點，嚴重限制了其進一步的應用。為了解決這些問題，許多旨在實現單細胞可控配對的新方法被提出，這些方法被歸類為確定性細胞配對。利用該方法，異質單細胞以可預測和可重復的方式配對，從而大大提高了細胞配對效率。確定性細胞配對克服了傳統隨機方法中出現的泊松分布缺點，可實現高達90%的總捕獲率和88.1%的異質細胞配對率。根據所涉及的配對原理，這些單細胞配對平臺可進一步分為四種主要類型，分別是基于微孔、流體動力陷阱、微液滴和主動式捕獲的確定性細胞配對（圖2）。

圖2 基于微滴和主動式捕獲的確定性細胞配對，用于兩個異質單細胞的共培養

多種不同類型單細胞的共培養

不同類型的多個細胞之間的相互作用在生命體生理和病理過程中更為常見。研究多種類型細胞之間的相互作用，對于理解生命活動的規律、揭示疾病的機制和探索它們的治療方法至關重要。具體來說，在單細胞水平上揭示異質細胞之間的相互作用是實現這些目的的最有效手段。要實現這一點，前提是實現多個不同類型的單細胞的共培養。然而，由于用于多細胞分離及捕獲的芯片設計復雜，實現多個異質單細胞的共培養具有挑戰性，迄今為止較少有方法被報道。

為保證較高的共捕獲率，通常使用確定性方法對多個異質單細胞共同捕獲。常用的方法有兩類，即：基于微孔和基于流體動力陷阱的確定性細胞共捕獲。此外，一些先前描述的單細胞配對方法在多細胞捕獲和共培養方面也具有潛力。

圖3 在芯片上捕獲和共培養多個不同類型的單細胞

當前方法的比較

微流控平臺為在單細胞水平上研究細胞間通訊提供了新的途徑，具有對單細胞的精確操縱、模擬生理相關的微環境以及在不同條件下進行高通量分析等優點。由于細胞負載的不可控性和統計性質，隨機方法表現出較低的共捕獲效率。表1總結了一些代表性方法的特征，包括每個芯片的微結構數量、共捕獲效率和異型細胞類型。

在基于不同共捕獲原理的各種平臺中，基于微孔的方法由于沒有集成輔助通道或閥門，設計簡潔、制造簡單、操作方便，且通常無需泵或電源輔助。但是，它通常無法控制細胞的比例和距離。

基于流體動力學陷阱的方法是單細胞捕獲和共培養的常用方法，具有高度的靈活性和精確度，可以通過精細調整控制閥和流道的幾何形狀等優化其性能。然而，由于使用通常占用大空間的輔助結構，每個芯片的培養單元數量通常較低。此外，由于需要連續灌注培養基，參與細胞間通訊的信號分子會被稀釋和沖刷到整個芯片上，導致不同培養單元之間的未知偏差和干擾。

基于微液滴的方法將細胞限制在孤立的液滴中，細胞分泌物也被限制在單獨的隔室中，避免了相鄰細胞對之間的串擾。此外，它可以共包覆具有顯著不同大小的異質細胞，被包覆在液滴中的細胞可以自由移動而不受物理限制。然而，它不適合長期的細胞培養，因為液滴中的營養物質通常不能補充。此外，由于貼壁細胞在懸浮狀態下容易發生凋亡，不適合貼壁細胞的共培養。

基于主動式捕獲的方法具有高度可控和易于自動化的特點。然而，它們通常依賴復雜的外部設備，操作困難。此外，有時它們需要使用對細胞有潛在危害的物質。例如，介電泳裝置中使用的非導電介質缺乏必要的營養物質或生物物理特性。磁性方法需要磁性顆粒附著在細胞上，其細胞毒性尚未得到充分研究。

表1 代表性的單細胞共培養微流控平臺比較

綜上所述，該文章討論了用于單細胞共培養的各種微流控平臺。目前在該領域的研究已取得顯著進展，但仍有一些問題需要解決。例如，設計同時具有大培養空間、高通量和無串擾的平臺仍然具有挑戰性。目前大多數方法都是為兩個異質單細胞的共培養而設計的，多種單細胞的共培養方法則不足，且后者通常具有極低的吞吐量，實際應用比較有限。同時，目前大多數方法都是針對非原位表征而構建的，其中靶細胞已經從原始微環境中分離出來，可能導致一些關鍵生物學線索的丟失。此外，熒光探針和顯微成像仍然是最常用的下游表征技術，大多數傳統定量分析與微流控平臺的兼容性較低，單細胞水平的細胞復雜性無法被完全展示。

但相信，隨著微制造技術的進一步改進，將推出結構和功能更精細的單細胞共培養平臺。隨著與微流控器件兼容的多傳感儀器的開發，將有大量更高維數據用于更全面地描述單細胞通信。然而，這些進展可能給高度復雜、異質和多維數據的分析帶來挑戰。因此，探索處理生成數據的有效方法將是未來發展的重要方向。例如，人工智能輔助的數據處理技術特別適合用于海量的高維數據，它可以有效分析復雜多維數據，協助研究人員挖掘隱藏的信息。新型微流控平臺、多傳感技術和高效數據分析方法的融合，將有望通過揭示傳統批量分析中隱藏的信息，為生物和醫學科學領域提供前所未有的洞察力。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101129

審核編輯 ：李倩