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來源：生輝 2023-08-18 10:41
近日，浙大團(tuán)隊(duì)提出一種面向細(xì)胞排布操作的新方案——磁阿基米德法，其具備快速、高效、低損傷的特點(diǎn)。
近日，浙大團(tuán)隊(duì)提出一種面向細(xì)胞排布操作的新方案——磁阿基米德法，其具備快速、高效、低損傷的特點(diǎn)。
就應(yīng)用前景來說，磁阿基米德法在單種細(xì)胞的高通量 & 高精密度組裝、多種細(xì)胞的層層復(fù)合組裝、以及復(fù)合密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的外場(chǎng)操縱組裝上，都能產(chǎn)生不錯(cuò)的效果。
此外，課題組還模擬了體內(nèi)組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并在體外病理模型中復(fù)現(xiàn)了其他實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果。
比如，在研究細(xì)胞的遷移時(shí)，他們使用磁阿基米德法來替代經(jīng)典的劃痕法。通過此，可以在水凝膠等脆弱的基底上構(gòu)建出清晰的無細(xì)胞區(qū)域，并且不會(huì)破壞原有的基底。
通過使用磁阿基米德法，該團(tuán)隊(duì)還在在狹小密閉的微流道芯片內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了多種細(xì)胞的圖案化共培養(yǎng)。
另?yè)?jù)悉，其還在 96 孔板內(nèi)一次性構(gòu)建 96 個(gè)尺寸均勻的“劃痕”。而傳統(tǒng)劃痕法由于受制于操作空間，一般需要使用孔徑更大的孔板。
對(duì)于磁阿基米德法來說，它使用的細(xì)胞用量比傳統(tǒng)方法更少，故能提高實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性，并能減少大量重復(fù)性操作。
同時(shí)，它無需對(duì)細(xì)胞進(jìn)行預(yù)標(biāo)記，對(duì)于基底材料和操作裝置沒有特定要求，因此有望用于從二維到三維的細(xì)胞圖案化，在體外細(xì)胞生物學(xué)研究和體內(nèi)植入治療的組織工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。
▲圖 | 基于磁阿基米德效應(yīng)的細(xì)胞圖案化應(yīng)用。左：細(xì)胞遷移模型，有望替代細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn)；中：圖案化后在同一芯片上研究四種狀態(tài)下瓣膜細(xì)胞與免疫細(xì)胞相互作用；右：微流道芯片內(nèi)的細(xì)胞圖案化，用于研究細(xì)胞的動(dòng)態(tài)藥物響應(yīng)（來源：ACS Nano）
浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院任探琛研究員是共同一作兼共同通訊，浙江大學(xué)王建安教授和朱旸研究員擔(dān)任共同通訊。
▲圖 | 相關(guān)論文（來源：ACS Nano）
據(jù)介紹，細(xì)胞體外研究體系建立至今已有百年之久。當(dāng)前，世界各地的生醫(yī)實(shí)驗(yàn)室大多以單層細(xì)胞培養(yǎng)的方式進(jìn)行體外研究。這種傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)方式，很難模擬真實(shí)的生物組織。
在遠(yuǎn)程場(chǎng)中，磁場(chǎng)的傳播幾乎不受非磁性物質(zhì)的干擾，故有望在不受生物環(huán)境和材料性質(zhì)干擾的情況下，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞組裝和有序排布。
在磁性納米粒子的幫助之下，對(duì)細(xì)胞或材料進(jìn)行預(yù)標(biāo)記，進(jìn)而通過磁場(chǎng)吸引力來控制磁性納米粒子的運(yùn)動(dòng)，是磁場(chǎng)調(diào)控細(xì)胞行為的經(jīng)典方法。
然而，該方法需要使用磁性納米粒子，這些粒子可能會(huì)殘留在細(xì)胞內(nèi)，從而產(chǎn)生潛在的細(xì)胞毒性，并且有可能干擾后續(xù)的細(xì)胞表征。
在磁場(chǎng)作用之下，除能利用鐵磁性的磁性納米粒子產(chǎn)生正向磁泳之外，也能利用細(xì)胞本身的抗磁性及其與介質(zhì)磁化率的差異產(chǎn)生排斥力，借此推動(dòng)細(xì)胞向磁場(chǎng)較低的方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)向磁泳，借此調(diào)控細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和空間分布。這一過程也被稱作磁阿基米德效應(yīng)。
在磁阿基米德效應(yīng)的幫助之下，荷蘭物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)得主安德烈·海姆（Andre K.Geim）教授曾首次在強(qiáng)磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)活青蛙的磁懸浮。
▲圖 | 基于磁阿基米德效應(yīng)的細(xì)胞圖案化原理圖。（A）細(xì)胞受力情況分析；（B）圖案化裝置范例；（C）圖案化形成的細(xì)胞運(yùn)動(dòng)過程（來源：ACS Nano）
如上圖所示，當(dāng)把磁鐵置于細(xì)胞底部時(shí)，磁場(chǎng)方向與重力方向相反；當(dāng)磁力與浮力之和小于重力時(shí)，細(xì)胞下沉；當(dāng)磁力與浮力之和大于等于重力時(shí)，則有望實(shí)現(xiàn)磁懸浮。
由于磁場(chǎng) B 會(huì)隨著細(xì)胞與磁鐵的距離的三次方出現(xiàn)急劇衰減，理論上在磁場(chǎng)上方可以形成一個(gè)細(xì)胞清空區(qū)域。在該區(qū)域的邊緣，細(xì)胞在 z 方向處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。
細(xì)胞本身具備抗磁性，且其所在的培養(yǎng)基環(huán)境亦為弱抗磁性。當(dāng)物體與周圍介質(zhì)磁化率的差異較小時(shí)，必須得有極大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，才能產(chǎn)生足夠的排斥力，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)方式的改變。
在以往報(bào)道之中，人們通過磁場(chǎng)來直接懸浮非磁性物體，但這需要 10T 以上的強(qiáng)磁。
如此強(qiáng)的磁場(chǎng)僅能通過電磁場(chǎng)產(chǎn)生，因此需要專業(yè)的設(shè)備和電力線路，一般高校的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室通常很難配備。
除了改變磁場(chǎng)強(qiáng)度之外，還可以在細(xì)胞培養(yǎng)基中加入順磁劑來增大 ?χ，這樣也能在相對(duì)較弱的磁場(chǎng)之下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的磁懸浮。
然而，目前來看利用磁阿基米德效應(yīng)，以非接觸的方式制造更為復(fù)雜的細(xì)胞圖案仍然具有挑戰(zhàn)性。關(guān)注到上述情況之后，浙大團(tuán)隊(duì)開展了本次研究。
研究中，在對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研之后，課題組針對(duì)一批具有不同形狀的“迷你”磁鐵組合的靜磁場(chǎng)分布進(jìn)行仿真建模。
結(jié)果顯示，在各種不同形狀的“迷你”磁鐵的引導(dǎo)下，細(xì)胞們都可以匯聚組裝成對(duì)應(yīng)的圖案。并且，細(xì)胞的后續(xù)生長(zhǎng)不會(huì)受到影響。
此外，課題組發(fā)現(xiàn)：通過調(diào)節(jié)順磁劑釓噴酸葡胺的添加濃度，可以實(shí)現(xiàn)圖案大小的進(jìn)一步調(diào)整。而且通過層層疊加的方式，還能實(shí)現(xiàn)多種細(xì)胞的組裝。
利用這些操作，他們制作了更加復(fù)雜的細(xì)胞組合圖案。最后，該團(tuán)隊(duì)探索了一些應(yīng)用實(shí)例。比如高通量地制作形狀大小均一細(xì)胞團(tuán)塊陣列、“一步法”地制作大批量的細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn)。
相比傳統(tǒng)操作方法，本次方法不僅可以提高效率，而且由于磁場(chǎng)操控的非接觸式特點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以達(dá)到的效果。
比如，他們可以在脆弱的軟質(zhì)水凝膠表面、或者生物瓣的彈性光滑表面來研究細(xì)胞的遷移；還可以在密閉的微流道空間內(nèi)操縱細(xì)胞的排列。
另外，利用多種細(xì)胞的組合組裝與共培養(yǎng)，該團(tuán)隊(duì)模擬了體內(nèi)的多細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)。
磁阿基米德法的兩大特點(diǎn)是：高通量、以及對(duì)于細(xì)胞具備高利用率。因此，他們希望能選擇來源較為有限的細(xì)胞來體現(xiàn)該方法的價(jià)值。
剛好課題組的另一個(gè)研究方向是心臟瓣膜鈣化。由于瓣膜組織在體內(nèi)的占比很小，故難以從小動(dòng)物中分離細(xì)胞；而由于缺乏特異性高的標(biāo)記物，故難以從干細(xì)胞分化得到。
此前，他們做實(shí)驗(yàn)時(shí)的細(xì)胞來源，一般是心臟移植的臨床樣本。而且，每次分離所得到的細(xì)胞數(shù)量極其有限，細(xì)胞的擴(kuò)增能力也比較差。
為此，他們選擇心臟瓣膜鈣化時(shí)的炎癥浸潤(rùn)，來作為體外研究應(yīng)用的模型，借此構(gòu)建一種圖案化共培養(yǎng)的芯片，這款芯片主要基于心臟瓣膜內(nèi)的皮細(xì)胞和心臟瓣膜基質(zhì)細(xì)胞。
那么，在單種細(xì)胞或兩種細(xì)胞共同存在的情況之下，心臟瓣膜鈣化與免疫細(xì)胞浸潤(rùn)到底有著怎樣的關(guān)系？關(guān)注到這一問題之后，課題組對(duì)其加以研究，并與臨床樣本進(jìn)行比對(duì)。
研究中，他們還發(fā)現(xiàn)通過精確控制永磁鐵陣列的組裝和排列模式，可以在細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)之中，產(chǎn)生區(qū)域化的磁場(chǎng)分布，從而實(shí)現(xiàn)定域化的磁懸浮，進(jìn)而讓細(xì)胞呈圖案化分布。
其中，永磁體不僅可作為磁懸浮力的來源，也可以作為細(xì)胞圖形結(jié)構(gòu)的模板。在細(xì)胞培養(yǎng)的容器底部，磁場(chǎng)呈現(xiàn)出周期性的分布，因此細(xì)胞會(huì)向 Fbuoy+Fmag-z <Fgrav 的區(qū)域聚集。
受到磁鐵制備工藝的限制，永磁體的大小和形狀的可調(diào)性比較差。對(duì)于坡莫合金來說，這讓它可以大幅降低磁場(chǎng)隨距離的衰減，從而在合金上刻制復(fù)雜的圖案。
由于磁場(chǎng)的傳播幾乎不會(huì)受到非磁性物質(zhì)的影響，因此有望針對(duì)材料性質(zhì)和細(xì)胞分布實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)控。
比如，在不同性質(zhì)的基底、在水凝膠表面和內(nèi)部、在已成型的多孔材料內(nèi)部、以及在微流道內(nèi)部進(jìn)行圖案化的細(xì)胞組裝。
▲圖 | 磁阿基米德法構(gòu)建復(fù)雜細(xì)胞圖案（來源：ACS Nano）
整體來看，本次成果主要集中在二維平面上的細(xì)胞排布操作。目前，該團(tuán)隊(duì)正在把本次方法向三維空間的應(yīng)用上推進(jìn)。
任探琛表示：“正如審稿人所指出，從多細(xì)胞組裝共培養(yǎng)、到病理模型的探索結(jié)果來看，我們的實(shí)踐目前還是局限于體外實(shí)驗(yàn)范圍?！?/section>
因此，他們希望在將本次技術(shù)用于三維空間的細(xì)胞排布的同時(shí)，也能結(jié)合組織工程技術(shù)在在體內(nèi)應(yīng)用中做探索。
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