Small:基于微流控液滴与囊泡技术的人造细胞研究进展

细胞是生命的基本单位,是构成各种生命的基本结构单元,也是体内各种生化反应发生的主要场所。细胞模型是生命科学与医学、药学应用最广泛的研究模型。人造细胞是一类具有类细胞结构并表现出与天然细胞类似功能的仿生微系统。人造细胞可作为仿生模型用于研究细胞特性,细胞结构与功能的关系,细胞(乃至生命)的起源与进化、环境适应的机制等生命科学的基本问题,也可作为细胞工厂用于合成生物学,作为载体用于药物递送、疾病治疗等,近年来引起了广泛的关注。微流控技术(microfluidics)在人造细胞的制造方面具有巨大的潜力。近期,清华大学梁琼麟教授课题组应邀在Willey出版的microfluidics专辑中撰写综述,介绍了基于微流控液滴与囊泡技术所推动的人造细胞的制备及应用研究的新进展,也探讨了所面临的挑战及未来的发展趋势。

微流控领域的微液滴技术目前已趋于成熟,代表性的液滴生成装置主要包括T-junction,Flow-focusing及Coflowing三种结构类型。生成的微液滴可以利用磁,热,电,声,光,重力,机械力等各种驱动力,在封闭的通道中或者开放的平台上实现液滴的迁移,分选,捕获,分裂,聚结,混合等多种方式的操控。近年来基于微流控平台的囊泡制备技术也取得了很大进展,微流控结合表面引发聚合及乳化或自组装技术等可以制备具有单室和多室结构的囊泡。

微液滴和囊泡的生成和操控技术为人造细胞或细胞仿生的研究奠定了重要的基础。考虑到细胞膜是细胞内部环境和外部环境的天然分界线,并且对信号分子的转导和跨膜分子的转运起到关键作用,因此细胞膜的仿生成为人造细胞研究首当其冲关注的问题。利用微流控技术制备具有双层脂质结构和可生长特性,以及通过自组装原理制备具有不对称膜结构的人造细胞膜已取得重要进展。基于液滴微流控技术,利用水-气微流控技术及微液滴界面的自组装特性,还可以控制制备有对称或不对称细胞膜结构、并具有多个内部隔室的人造细胞。此外,利用液滴微流控技术制备具不同细胞形貌的人造细胞模型。囊泡技术也被广泛的应用于人造细胞的制造,基于微流控技术的乳液模板法、细胞仿生学法及微流控-微注射技术等囊泡制备技术均已被报道用于人造细胞的制造。

细胞不仅具有特殊的结构,也具有很多重要的功能,如细胞的生长及分裂,物质的代谢,能量的供应,蛋白质的表达,细胞通讯,迁移和分子转运等。因此人造细胞的研究不仅关注细胞的结构(包括材料)的仿生,也需要能够赋予人造细胞上述的细胞功能。近年来能够模拟上述某些细胞功能的人造细胞模型已被陆续报道。天然细胞还被认为是极其复杂但是却又极为高效的生物反应器,而人造细胞也具有这方面的巨大潜力。已有一些研究报道将人造细胞作为生物反应器用于不相容的串联反应、级联反应或模拟一些复杂的生化反应,通过精确设计的人造细胞作为生物反应器并与生物酶催化相结合,会大大提高反应的原子经济性,降低反应的活化能,并减少副反应的发生。

目前人造细胞的研究尚处于早期阶段,存在的主要挑战包括:可用于制备人造细胞的原材料较少,人造细胞的形貌特别是细胞内部结构(细胞器)和细胞表面精细拓扑结构的控制制备还比较困难,在细胞功能模拟方面能够真正全面模拟细胞功能面临更大的挑战,往往某一种类型的人造细胞只能实现天然细胞的某一种或者几种功能。但是我们相信,随着化学、材料、生物、物理以及微纳制造技术等多学科知识的交叉融合和多种技术的不断发展,这些问题将会迎刃而解。而这些技术的进展又将进一步推动人造细胞在细胞生物学和生命科学基础研究,以及合成生物学、智能药物递送系统等前沿领域的应用研究取得新的进展。未来随着人造细胞技术的成熟,甚至还可能作为天然细胞的替代物应用于人造组织/器官等领域。相信这篇综述会对微流控学、仿生材料、合成生物学及制药学等研究领域的科研人员有所帮助。

相关论文以“Microfluidics for Biosynthesizing: from Droplets and Vesicles to Artificial Cells”为题,在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201903940)上。该论文的第一作者为清华大学博士生艾永建,通讯作者为梁琼麟教授,论文得到国家自然科学基金委(81872835, 21621003),科技部(2017YFC0906902, 2017ZX09301032)等基金的资助。