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西班牙萨拉戈萨大学科学家首次采用BE-Gradient微流控芯片观测多球细胞的化学迁移情况，主要研究了OSC-19多球细胞（OSC-19：人舌鳞癌细胞）在FBS（胎牛血清）的趋化反应。探究方向如下：1、通过横向微通道探究不同化合梯度条件下的趋动行为。2、对比OSC-19多细胞在微流控系统（胶原包被）和在孔板中的球状体迁移情况。3、证明了在对趋化梯度的反应中OSC-19单细胞培养时与多细胞球体培养时表现出不同的响应机制。 前言 趋化运动是指细胞能够感受到外界化学物质的浓度梯度，并沿着浓度梯度的方向所做的定向运动。趋化作用在许多病症中起着关键作用，包括炎症和自身免疫性疾病以及癌症，还有许多发育和组织重塑过程，包括胚胎生长和伤口愈合。因此，能够详细研究趋化过程的技术是药物发现和基础生物学的重要工具。 一、瓶颈挑战 许多不同的方案被用来研究细胞迁移和趋化作用。Boyden Chamber Assay：Boyden小室法是目前细胞迁移和侵袭实验技术最常用的方法之一。虽然这种方法用途广泛，但它有一些局限性：例如，它不能直接观察迁移过程中的细胞。除此之外，还有一些研究细胞迁移和趋化作用其他物质或方法，包括under-agarose凝胶、Agarose Spot、Zigmond chamber、Dunn chamber和Insall chamber检测等。这些检测方法各有其优点，但 它们通常都不能研究随着时间变化的化学梯度对细胞的影响。 此外，梯度控制和重现性可能是一个挑战。这些缺点都可以通过使用微流控系统来克服，微流控系统已经成为研究趋化性的有力工具。 虽然现有技术观察单细胞的趋化反应装置是非常有效，例如Jeon NL的预混器梯度发生器，但它们在某种程度上与更现实的细胞迁移情况有距离。细胞是多细胞系统的一部分， 往往多细胞的趋化反应与单细胞展现不一样的迁移机制。 研究表明，固体肿瘤细胞可表现出与单个细胞不同的机制进行迁移和入侵。例如，胶质瘤为可孤立的侵袭性肿瘤，而上皮细胞似乎是通过集体运动侵袭。 这就跟现实情况造成了一定的差异。更重要的是， 现有技术往往都不允许对多细胞的集体迁移，这是一块研究的空白。 二、解决方案 同时，本文采用BE-Gradient微流控芯片作为核心装置进行研究。该装置由一个中央室（模拟细胞培养）和两条包含3个通向中心室的横向通道（模拟血管）组成。在中心室容纳包含细胞的水凝胶，两侧通过灌注不同浓度的介质，通过水凝胶多孔结构对流体的阻力作用，在横向微通道形成不同的浓度梯度。 BE-Gradient微流控芯片内部结构和参数示意图 三、BE-Gradient微流控芯片中的荧光成像和显微成像表现 在FBS化学梯度下OSC-19多细胞的显微形貌图 在FBS化学梯度下OSC-19多细胞的荧光成像图 （a）OSC-19单细胞的显微图（b）OSC-19单细胞的趋化运动分析（c）OSC-19单细胞的荧光成像图 注：本文图片部分摘引于文献： Ayuso J M , Ba Sheer H A , Rosa M , et al. Study of the Chemotactic Response of Multicellular Spheroids in a Microfluidic Device . Plos One, 2015, 10(10):e0139515. 四、其他应用 3D细胞培养：首先将细胞混合在液相水凝胶中，然后将它们引流至中央室中。水凝胶聚合完成后，通过横向通道灌注具有不同浓度化合物的培养基，并实时监测效果。 2D细胞培养：适用于贴壁细胞，不仅可以在中央室中检测，也可以在横向通道中培养。 应用案例：细胞/球状体入侵和迁移、血管新生、转移、血管生成、趋化、缺血、细胞分化或氧化压力、微型器件内的坏死核心生成、葡萄糖梯度实验。

胶质母细胞瘤为一种高度恶性，生长快、病程短的致死肿瘤疾病，它是成人最常见的原发性侵袭性脑肿瘤，每年大约有 12,000名新增病例 。 由于其研究的特殊性，如何在体外模拟更真实的仿生环境一直是临床研究的难点，西班牙萨拉戈萨大学的研究小组成功攻克了这一难题，让我们看看这是怎么做的吧！ 一、研究快速导览 背景： 胶质母细胞瘤（GBM〉是最致命的肿瘤类型之一。在这些肿瘤中，高细胞区被命名为假性细胞区，并被推测为胶质母细胞瘤细胞迁移的波。这些细胞的”波浪”被认为是由肿瘤引起的血管闭塞所造成的氧气和营养物质的消耗所诱发的。虽然这些结构在GBM肿瘤中的普遍存在表明，它们可能在胶质母细胞瘤的扩散和入侵中发挥了重要作用，但在体外重新创造这些结构仍然是一个挑战。 方法： 西班牙萨拉戈萨大学通过采用先进的体外细胞培养装置——BE-Gradient 微流控芯片，模拟了假性细胞区形成的动态过程。将U-251 MG细胞嵌入微流控芯片的胶原水凝胶中，通过控制介质在横向微通道的流动，模仿和控制与这种疾病相关的血管阻塞事件。 结果： 通过使用这个新的系统，证明营养和氧气的缺乏会引发一个强烈的迁移过程，导致体外假紫斑的产生。这些结果验证了假性细胞区的假说，并显示出与缺氧驱动生物学模型的出色一致性。 本研究有效的证明了 BE-Gradient微流控芯片作为先进的体外培养装置，能够很好的模拟在肿瘤演变过程中营养和氧气的化学梯度变化。 二、BE-Gradient的实验效果介绍 下面让我们了解基于BE-Gradient 微流控芯片更多的实验效果。 （1）BE-Gradient 微流控芯片模拟化学梯度变化的可能性展示（方案之一）： 图1 BE-Gradient 微流控芯片模拟营养和氧气的缺乏区域（I）和富集区域(II)的示意图 （2）微流控芯片细胞长期体外存活能力展示： 图2 在9天后，U-251细胞在微流控芯片中的存活显示，活细胞（用1μg/ml的钙素标记）显示为绿色，死细胞显示为红色（用4μg/ml的碘化丙啶标记）。白色虚线划定了微型装置柱（50x100 µm）。细胞在1.5mg/ml胶原水凝胶内以400万细胞/ml的速度培养 （3）假性细胞区形成的动态过程展示： 图3 在限定条件下形成假性细胞区过程 将400万cells/ml的U-251置于1.5mg/ml的胶原水凝胶中，在微型装置内培养。在不受限制的条件下，每天更换一次培养基，并在3天（A）、6天（B）和9天（C）使用钙黄素（绿色）和碘化丙啶（红色）评估细胞的活力。为了模拟受阻的情况，只让介质通过右侧微通道流动，并在3（D）、6（E）和9（F）天评估细胞活力。白色虚线划定了微装置柱（50x100 µm）的界限。图表显示了在3天（G）、6天（H）和9天（I），在受阻和不受阻的情况下，整个微室正交视图的荧光强度。图中的边界位置由灰色虚线划定。比例尺为200μm。 图4 假性细胞区形成期间的细胞形状 在不受限制（A）或受阻（B）的条件下培养5天后，拍摄微室的共聚焦图像。(C)分析了假性细胞区后部和前部的细胞形状，并与无限制条件下的同一区域进行比较；。(D) 在受阻条件下，假性细胞区后部的方向性。(E) 石蜡包埋的GBM样本的苏木精和伊红染色。(F) 患者样本中假顶点后部和前部的细胞核长宽比；比例尺为200µm。 参考文献： Jose, et al. “Glioblastoma on a microfluidic chip: Generating pseudopalisades and enhancing aggressiveness through blood vessel obstruction events.” Neuro Oncology (2017). 三、Be-Gradient的其他应用 （1）产品介绍： Be-Gradient 由一个中央室（模拟细胞培养）和两条包含 3 个通向中心室的横向通道（模拟血管）组成。用于模仿体外的细胞培养。它可以在化学梯度下进行3D或2D细胞培养。由于其使用的聚合物具有一定的光学透明度，所以可以搭载显微镜、荧光显微镜和共焦显微镜辅助观测。 3D 细胞培养：首先将细胞混合在液相水凝胶中，然后将它们引流至中央室中。水凝胶聚合完成后，通过横向通道灌注具有不同浓度化合物的培养基，并实时监测效果。 2D 细胞培养：适用于贴壁细胞，不仅可以在中央室中检测，也可以在横向通道中培养。 （2）应用领域： 细胞/球状体入侵和迁移、血管新生、转移、血管生成、趋化、缺血、细胞分化或氧化压力、微型器件内的坏死核心生成、葡萄糖梯度实验。