Small Science:用于可逆细胞引导的光响应双层细胞培养平台

细胞不断地与其他细胞和周围的细胞外基质 (ECM) 相互作用,ECM由水、多糖和许多蛋白质组成,其生物物理和生化信号参与调节细胞与微环境之间的动态相互作用。几种细胞功能,如迁移、分化和死亡,受到局部外部微环境的共同调节,且这些功能与组织修复和肿瘤生长等生理过程有关。研究者为生物医学应用设计了专门的材料以模拟ECM,然而这些细胞培养材料通常缺乏天然组织的动态特性,而某些细胞功能可能会因为自然微环境的缺失发生改变或丢失。迄今为止,在不影响细胞活力的情况下无创地再现动态信号仍然是一个挑战,也是体外疾病建模方向的重要的研究课题。

近日,来自芬兰Tampere大学Arri Priimagi课题组在Small Science上发表了研究文章,报道了一种光响应细胞培养平台,该平台具有光响应薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜的双层结构,能够实现光诱导运动改变表面形貌,从而能在保证细胞存活的情况下实现对培养环境的无创控制。

本文首先介绍了该双层平台的制备方法:先将偶氮苯分散红1(DR1g)溶液在盖玻片上旋涂成膜,再将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物-固化剂溶液旋涂在已沉积的DR1g薄膜上,在55℃下固化后形成具有双层结构的薄膜(如上图b所示)。接着,作者使用Lloyd镜对薄膜进行了光干涉光刻,诱导DR1g发生结构转变,最终使PDMS层发生变形,形成表面起伏光栅(SRG)。AFM表征显示,通过调节反射镜与激光束之间的角度可以形成不同的干涉图样,从而实现疏密不同的SRGs(如上图d和e所示)。

之后,作者将Madin-Darby犬肾 II型上皮细胞接种在SRG上,以研究双层薄膜的微地形与细胞排列之间的关系。显微镜观察显示,细胞接种后会沿着微地形对齐,并在之后沿着SRG图案方向进行生长。作者接着通过定位细胞中的E-钙粘蛋白研究了细胞-细胞相互作用。结果表明,双层结构上的SRG形貌可以引导上皮细胞排列并促进上皮细胞的形成。

此外,本工作还研究了活细胞存活情况下SRG形貌的擦除,以及细胞对动态地形变化的反应。通过共聚焦显微镜灯源擦除了部分SRG形貌,改变了表面粗糙度,在2h的时间跨度内,细胞保持存活且其生长方向更加随机。在文末,作者对这一方法的未来进行了展望:光介导的材料形貌动态控制是进行实时细胞实验的一种很有前景的策略,仅需使用传统的显微镜就可以进行;这种策略可以进一步用于蛋白质的模式化,通过单独控制形貌和生化因素,针对不同的应用进行细致的功能化。

Light-Responsive Bilayer Cell Culture Platform for Reversible Cell Guidance

Mari Isomäki, Chiara Fedele, Lotta Kääriäinen, Elina Mäntylä, Soile Nymark, Teemu O. Ihalainen*, Arri Priimagi*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100099

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202100099