新型的细胞图案化技术:微接触擦写技术

Smallwuhongkai构建结构复杂的人工器官或体外组织,用于生物学研究、组织修复或药物筛选评价,是近年来极其热门的研究课题。人体由不同组织构成。每一种组织内不仅含有不同种类细胞,且细胞的图案和取向也具有一定规律。为了模拟体内微结构,人们常利用微米领域的光刻技术,在二维平面上形成单种或两种细胞共培养的形形色色图案。但这些模型,几乎都依赖于不同细胞对图案化预处理基底的选择性黏附差异;一旦细胞贴壁形成图案后,细胞被局限在某个特定区域内,难以迁移。同时,细胞微图案的形状取决于基底的预处理图案,一旦细胞微图案形成,后续难以改变。另外,制备这些图案化预处理基底的方法往往比较复杂,难以普及。以上这些不足,极大限制了在体外构建多细胞共培养模型,也难以制备结构复杂的体外模型乃至获得功能化的组织。

针对以上不足,中山大学生物医学工程团队李燕博士、周建华副教授和香港科技大学吴洪开课题组合作提出一种新型的细胞图案化技术,称为“微接触擦写技术”。该技术利用细胞可被机械力压碎裂解的现象,使用一种弹性微印章印压铺满细胞的基底,将一部分细胞压碎;碎片被清洗后存活细胞形成了与微印章图案互补的细胞图案;细胞被“擦写”造成的空白表面可供第二种细胞种植和粘附,从而进一步形成两种细胞共培养的微图案模型。这种“擦写/种植”的步骤可不断重复,直至获得所需要的细胞共培养微图案。利用该技术构建细胞微图案,图样取决于微弹性印章的结构,何时与何地施加印压,以及种植哪种细胞等因素。采用此策略,该研究成功构建了三种细胞共培养的微图案模型。因基底表面性质均一,无需图案化预处理,形成单细胞图案后,细胞不再局限于图案区域内,可观察到细胞的增殖迁移行为;在两种细胞(即肿瘤细胞和其他细胞)共培养图案中,不同种细胞所生长的物理微环境几乎接近,可观察到肿瘤细胞侵入其他细胞的现象。利用该技术构建细胞图案,基底材料可为平整或曲面的硬材料基底,亦可为具有粘弹性的聚合物电纺纤维膜。通过使用取向电纺纤维膜,在形成细胞共培养图案的基础上控制细胞在图案内的取向,可同时实现细胞微图案和在微图案内控制细胞取向这两个目标,更进一步模拟体内微结构。

“微接触擦写技术”有望在组织工程领域构建细胞模型用于药物筛选,或构建微结构复杂的人工组织用于人体组织修复。相关结果发表在Small(DOI/10.1002/smll.201501907)上。