Advanced Science: 基于微流控芯片的單細胞遷移研究

腫瘤轉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鍵因素。傳統的實驗手段（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移惡性，但是任何組織培養或細胞培養中細胞間的差異是其生物狀態和功能的基本特征，越來越多科學家認識到所謂“平均”狀態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，阻礙我們在腫瘤轉移上理解生物個體的復雜性和異質性。

興起于上世紀90年代的微流控技術(Microfluidic)，依托于先進的微結構加工工藝，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。因微流控技術在單細胞操控方面具有得天獨厚的優勢，研究人員已經成功開發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，該手段結合目前日益進步的單細胞測序技術，可以極大的拓展生命科學研究的深度。

近日，Advanced Science 在線發表了中山大學藥學院張元慶教授課題組關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96個細胞在獨立的微環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。

研究內容

在本工作中，我們設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的結構表征、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計相互獨立的單細胞捕獲單元（微型單鉤結構）和細胞回收裝置（直線形微通道結構），不僅實現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，結合顯微鏡技術可以實時監測細胞的運動軌跡并計算出運動距離，最終可以根據細胞的運動情況，通過胰酶消化和移液器操作實現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觀察到在不同轉移惡性的乳腺癌細胞系（MCF-7、MDA-MB-231和SUM-159）中呈現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，并進行了單細胞轉錄組測序，發現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現在這三種乳腺癌細胞系中同樣存在著MCPIP1的表達差異，結果提示我們MCPIP1可能與乳腺癌細胞的遷移能力相關。

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(紅色為上調基因，綠色為下調基因)。(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、細胞物質重構和TGF-beta通路相關的基因熱圖。（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，發現MCPIP1的確對細胞的遷移能力有調控作用，進一步的轉錄組測序結果發現該機制與TGF-beta通路相關。

結論與展望

我們首次設計了一種新型微流控芯片，能同時實現單細胞捕獲、遷移、回收和轉錄組測序等功能，該芯片的獨特設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發現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錄組分析，發現MCPIP1與遷移速度差異密切相關。后續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移惡性，并提示TGF-beta通路可能參與其中。該結果有力地證明了該系統的可行性，有望成為一個研究腫瘤轉移新機制和新藥開發的新工具。

原文鏈接:

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

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