Advanced Science: 基于微流控芯片的單細胞遷移研究

腫瘤轉(zhuǎn)移是惡性腫瘤的基本生物學特征，也是引起患者死亡和導致惡性腫瘤難以治愈的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的實驗手段（例如劃痕實驗和Transwell實驗）可以對群體細胞的遷移能力進行平均評估來評估細胞的轉(zhuǎn)移惡性，但是任何組織培養(yǎng)或細胞培養(yǎng)中細胞間的差異是其生物狀態(tài)和功能的基本特征，越來越多科學家認識到所謂“平均”狀態(tài)下的細胞生物學并不能滿足功能和機制研究的需要，這些方法往往掩蓋了細胞間的差異性，阻礙我們在腫瘤轉(zhuǎn)移上理解生物個體的復雜性和異質(zhì)性。

興起于上世紀90年代的微流控技術(shù)(Microfluidic)，依托于先進的微結(jié)構(gòu)加工工藝，可以在細胞尺度（5-20μm）上對細胞進行特定的排列、富集、分離及捕獲。因微流控技術(shù)在單細胞操控方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，研究人員已經(jīng)成功開發(fā)出多種單細胞捕獲微流控器件，可進行不同的單細胞研究。另外，隨著單細胞研究的不斷深入，對微流控芯片的單細胞研究也提出了新的需求，其中最緊迫的即是單細胞回收功能，該手段結(jié)合目前日益進步的單細胞測序技術(shù)，可以極大的拓展生命科學研究的深度。

近日，Advanced Science 在線發(fā)表了中山大學藥學院張元慶教授課題組關(guān)于微流控芯片用于單細胞遷移研究的工作。該工作的突出亮點在于設(shè)計了一種基于細胞遷移能力的單細胞可回收式的微流控芯片（SCM-chip），可同時實現(xiàn)96個細胞在獨立的微環(huán)境下進行單細胞遷移。論文的第一作者為中山大學藥學院博士研究生莊嘉瑯，論文通訊作者為中山大學藥學院張元慶教授。研究工作獲得國家自然科學基金（81601571、81771932、21705167）、廣東省自然科學基金（2017A030306016）和中央高校基本科研專項資金等項目的資助。

研究內(nèi)容

在本工作中，我們設(shè)計并制作了一種新型微流控芯片，并以三種乳腺癌細胞系為模型細胞，對該芯片的基本功能進行驗證，并在MDA-MB-231細胞中進行了研究，來驗證芯片功能的可行性和有效性，為以后使用該芯片進行腫瘤轉(zhuǎn)移機制研究的科學家提供一個范例。

圖文解析

圖 1 SCM-chip的結(jié)構(gòu)表征、操作流程和功能表征。 (a) SCM-chip的實物圖。 (b)遷移通道和單細胞捕獲單元的 SEM 圖像。 (c) SCM-chip實現(xiàn)單細胞捕獲、遷移研究和單細胞回收的操作過程示意圖。 (d) SCM-chip實現(xiàn)MDA-MB-231細胞的單細胞捕獲(I)、單細胞遷移研究(II)和基于遷移快慢的單細胞回收(III)。（圖片來自J. L. Zhuang, et al., Adv. Sci., 2018, 1801158）。

我們通過在芯片上設(shè)計相互獨立的單細胞捕獲單元（微型單鉤結(jié)構(gòu)）和細胞回收裝置（直線形微通道結(jié)構(gòu)），不僅實現(xiàn)了單細胞的捕獲功能，使每一個單細胞整齊地置于同一水平的“起跑線”上，并且使每一個細胞獨享不同的遷移通道，使細胞個體之間互相獨立互不干擾地進行單方向遷移運動，結(jié)合顯微鏡技術(shù)可以實時監(jiān)測細胞的運動軌跡并計算出運動距離，最終可以根據(jù)細胞的運動情況，通過胰酶消化和移液器操作實現(xiàn)特定遷移能力細胞群的回收。

圖 2 低遷移能力的乳腺癌細胞呈現(xiàn)MCPIP1高表達。MCF-7、MDA-MB-231和SUM-159的18h的單細胞遷移距離(a)和遷移能力分群比例(b)。 (c) MDA-MB-231細胞中遷移能力快和慢的細胞分群的基因熱圖。MCF-7、MDA-MB-231和SUM-159 的MCPIP1的mRNA表達(d) 和蛋白表達 (e)。（圖片來自J. L. Zhuang, et al., Adv. Sci., 2018, 1801158）。

我們通過SCM-chip觀察到在不同轉(zhuǎn)移惡性的乳腺癌細胞系（MCF-7、MDA-MB-231和SUM-159）中呈現(xiàn)不同的單細胞遷移能力，且同一種細胞系里不同細胞的遷移能力也具有明顯的異質(zhì)性。我們利用SCM-chip以細胞運動能力快慢為標準從MDA-MB-231中分選出兩種不同的細胞分群，并進行了單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)了單核細胞趨化蛋白誘導蛋白（MCPIP1）的表達在這兩種細胞分群上存在明顯差異，進一步在在mRNA表達和蛋白表達上發(fā)現(xiàn)在這三種乳腺癌細胞系中同樣存在著MCPIP1的表達差異，結(jié)果提示我們MCPIP1可能與乳腺癌細胞的遷移能力相關(guān)。

圖 3 MCPIP1抑制單細胞遷移并且抑制TGF-beta通路。MDA-MB-231/Vector和MDA-MB-231/MCPIP1的MCPIP1的mRNA表達(a) 、蛋白表達 (b) 、單細胞遷移距離(c)、遷移能力分群比例(d)和差異基因的火山圖(紅色為上調(diào)基因，綠色為下調(diào)基因)。(f)差異基因GO富集柱狀圖。 (g) MCPIP1過表達前后的與細胞黏附和運動能力、細胞物質(zhì)重構(gòu)和TGF-beta通路相關(guān)的基因熱圖。（圖片來自J. L. Zhuang, et al., Adv. Sci., 2018, 1801158）。

我們進一步研究外源性過表達MCPIP1對細胞遷移能力的影響，發(fā)現(xiàn)MCPIP1的確對細胞的遷移能力有調(diào)控作用，進一步的轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果發(fā)現(xiàn)該機制與TGF-beta通路相關(guān)。

結(jié)論與展望

我們首次設(shè)計了一種新型微流控芯片，能同時實現(xiàn)單細胞捕獲、遷移、回收和轉(zhuǎn)錄組測序等功能，該芯片的獨特設(shè)計使單細胞均相互獨立、互不干擾，且能夠基于細胞的遷移能力來對細胞進行靶向分選。我們利用該裝置，在MDA-MB-231發(fā)現(xiàn)有兩組不同遷移能力的細胞分群，并對這兩種細胞群進行單細胞轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)MCPIP1與遷移速度差異密切相關(guān)。后續(xù)研究進一步確定增強MCPIP1表達能有效地降低腫瘤細胞的運動能力，且能夠有效地抑制腫瘤轉(zhuǎn)移惡性，并提示TGF-beta通路可能參與其中。該結(jié)果有力地證明了該系統(tǒng)的可行性，有望成為一個研究腫瘤轉(zhuǎn)移新機制和新藥開發(fā)的新工具。

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201801158

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