活細胞的高通量篩選對于有效藥物的發現、理解細胞進程的研究、以及推進個性化藥物的安全檢測至關重要。目前，大多數基于細胞的高通量篩選是基于多孔板培養，并輔以復雜的移液步驟實現藥物的添加。然而，這種操作步驟繁瑣，特別是針對較小液滴內培養的非貼壁細胞，對培養液的頻繁擾動會干擾細胞的行為，影響實驗的準確性。如何實現在不同時間點向數千個液滴平行進行程序化的藥物添加，并同時確保最小的機械干擾，是細胞高通量篩選領域中的一項挑戰。

近日，四川大學馮文騫研究員團隊提出利用光觸發藥物遞送系統遠程控制藥物從固體表面釋放，從而以無機械干擾的形式將特定的藥物分子添加于細胞培養環境。利用偶氮苯衍生物表現出的順反光異構性，加上超分子非共價相互作用的動力學性質，實現在微圖案化的聚合物芯片上進行細胞高通量篩選中藥物的程序化添加。該芯片不僅準確控制藥物裝載量、調節藥物的裝載種類，也克服了裝載和釋放過程中的交叉污染，并利用數字微鏡器件（DMD）光源的投影特性實現了對大量液滴單元進行獨立且程序化的進程管理。相關工作以“Compact Micropatterned Chip Empowers Undisturbed and Programmable Drug Addition in High-Throughput Cell Screening”為題發表在Advanced Materials期刊上，論文的第一作者為四川大學碩士研究生趙元軼，通訊作者為四川大學馮文騫研究員。

首先，甲基丙烯酸2-（2-溴異丁酰氧基）乙酯（BrMA）被用作疏水活性單體，通過光引發的相分離聚合方法在玻璃基底上一步制備具有原子轉移自由基聚合（ATRP）活性的多孔超疏水聚合物薄膜。薄膜的多孔結構為超疏水/親水性能提供必要的表面粗糙度、有效的藥物負載面積、以及藥物釋放所需的傳質通道。隨后，2-（全氟辛基）乙基甲基丙烯酸酯通過ATRP反應在薄膜上聚合，構建超疏水、高疏油氟化邊框。在氟化邊框內部，4-（甲基丙烯酰氨基）偶氮苯（Azo-MA）分子進行聚合度可控的接枝，并與α-環糊精（α-CD）藥物水溶液進行組裝，在氟化邊框內部形成親水的藥物負載區域。

當細胞培養液滴與該芯片接觸時，它僅滲透到親水載藥區域，形成與（一個或多個）載藥區域連接的細胞培養庫。利用DMD光源對該獨立細胞培養庫內載藥區域進行程序化曝光，誘導曝光區域內的Azo-MA分子發生構型轉換和組裝體解離，促使α-CD藥物分子從薄膜內部向細胞培養液滴中擴散，從而實現無機械干擾的精確藥物遞送。數字光處理（DLP）器件的寬投影范圍允許在大量液滴中平行添加藥物，同時確保每個液滴都有自己獨立的曝光程序，為細胞的高通量平行篩選中無機械干擾、程序化的藥物添加提供了保障。

圖1 圖案化BrMA-Azo薄膜用于高通量細胞篩選的示意圖，通過光誘導實現單個微液滴內無機械干擾、程序化的藥物添加

構筑的Azo-MA接枝薄膜表現出類似于偶氮苯單體的光異構化轉變，并且接枝前后薄膜的多孔結構沒有改變。在紫外曝光區域，薄膜上的α-CD分子在120秒內完全解離。

圖2 偶氮苯單體接枝多孔聚合物膜的光異構化和光調控的曝光區域內的藥物釋放

當細胞培養液滴與該芯片接觸時，它僅滲透到親水載藥區域，形成與載藥區域連接的細胞培養庫。由于反式Azo-MA ?α-CD復合物在可見光或黑暗（組裝狀態）的水性環境中的穩定性質，芯片有效地將薄膜負載的藥物保持在組裝狀態而不發生泄漏。無論微液滴懸掛或夾在藥物釋放芯片下方，特異性的光誘導藥物釋放至細胞培養液滴中都是可行的，從而實現細胞在懸浮培養或貼壁培養中的無擾動藥物添加。

圖3 懸掛培養液滴和夾層培養液滴中光誘導的藥物添加

利用光刻法在設計藥物釋放芯片的圖案形狀時，通過超疏水邊界將Azo-MA接枝的圓形區域劃分為獨立的扇區，每個扇區裝載特定的藥物。通過把大小相同的圓形液滴夾在藥物釋放芯片下方，液體同時滲透到多個載藥區，形成與多個載藥區域相連的細胞培養庫。利用DMD光源對特定的載藥區域進行曝光，可以在液滴內精確和程序化地釋放藥物。

圖4 在條件紫外光照下將多種藥物程序化添加到細胞培養液滴中






審核編輯：劉清