【前沿】Advanced Science 基于微流控芯片的单细胞迁移研究

Advanced Science: 基于微流控芯片的单细胞迁移研究

肿瘤转移是恶性肿瘤的基本生物学特征，也是引起患者死亡和导致恶性肿瘤难以治愈的关键因素。传统的实验手段（例如划痕实验和Transwell实验）可以对群体细胞的迁移能力进行平均评估来评估细胞的转移恶性，但是任何组织培养或细胞培养中细胞间的差异是其生物状态和功能的基本特征，越来越多科学家认识到所谓“平均”状态下的细胞生物学并不能满足功能和机制研究的需要，这些方法往往掩盖了细胞间的差异性，阻碍我们在肿瘤转移上理解生物个体的复杂性和异质性。

兴起于上世纪90年代的微流控技术(Microfluidic)，依托于先进的微结构加工工艺，可以在细胞尺度（5-20μm）上对细胞进行特定的排列、富集、分离及捕获。因微流控技术在单细胞操控方面具有得天独厚的优势，研究人员已经成功开发出多种单细胞捕获微流控器件，可进行不同的单细胞研究。另外，随着单细胞研究的不断深入，对微流控芯片的单细胞研究也提出了新的需求，其中最紧迫的即是单细胞回收功能，该手段结合目前日益进步的单细胞测序技术，可以极大的拓展生命科学研究的深度。

近日，Advanced Science 在线发表了中山大学药学院张元庆教授课题组关于微流控芯片用于单细胞迁移研究的工作。该工作的突出亮点在于设计了一种基于细胞迁移能力的单细胞可回收式的微流控芯片（SCM-chip），可同时实现96个细胞在独立的微环境下进行单细胞迁移。论文的第一作者为中山大学药学院博士研究生庄嘉琅，论文通讯作者为中山大学药学院张元庆教授。研究工作获得国家自然科学基金（81601571、81771932、21705167）、广东省自然科学基金（2017A030306016）和中央高校基本科研专项资金等项目的资助。

研究内容

在本工作中，我们设计并制作了一种新型微流控芯片，并以三种乳腺癌细胞系为模型细胞，对该芯片的基本功能进行验证，并在MDA-MB-231细胞中进行了研究，来验证芯片功能的可行性和有效性，为以后使用该芯片进行肿瘤转移机制研究的科学家提供一个范例。

图文解析

图 1 SCM-chip的结构表征、操作流程和功能表征。 (a) SCM-chip的实物图。 (b)迁移通道和单细胞捕获单元的 SEM 图像。 (c) SCM-chip实现单细胞捕获、迁移研究和单细胞回收的操作过程示意图。 (d) SCM-chip实现MDA-MB-231细胞的单细胞捕获(I)、单细胞迁移研究(II)和基于迁移快慢的单细胞回收(III)。（图片来自J. L. Zhuang, et al., Adv. Sci., 2018, 1801158）。

我们通过在芯片上设计相互独立的单细胞捕获单元（微型单钩结构）和细胞回收装置（直线形微通道结构），不仅实现了单细胞的捕获功能，使每一个单细胞整齐地置于同一水平的“起跑线”上，并且使每一个细胞独享不同的迁移通道，使细胞个体之间互相独立互不干扰地进行单方向迁移运动，结合显微镜技术可以实时监测细胞的运动轨迹并计算出运动距离，最终可以根据细胞的运动情况，通过胰酶消化和移液器操作实现特定迁移能力细胞群的回收。

图 2 低迁移能力的乳腺癌细胞呈现MCPIP1高表达。MCF-7、MDA-MB-231和SUM-159的18h的单细胞迁移距离(a)和迁移能力分群比例(b)。 (c) MDA-MB-231细胞中迁移能力快和慢的细胞分群的基因热图。MCF-7、MDA-MB-231和SUM-159 的MCPIP1的mRNA表达(d) 和蛋白表达 (e)。（图片来自J. L. Zhuang, et al., Adv. Sci., 2018, 1801158）。

我们通过SCM-chip观察到在不同转移恶性的乳腺癌细胞系（MCF-7、MDA-MB-231和SUM-159）中呈现不同的单细胞迁移能力，且同一种细胞系里不同细胞的迁移能力也具有明显的异质性。我们利用SCM-chip以细胞运动能力快慢为标准从MDA-MB-231中分选出两种不同的细胞分群，并进行了单细胞转录组测序，发现了单核细胞趋化蛋白诱导蛋白（MCPIP1）的表达在这两种细胞分群上存在明显差异，进一步在在mRNA表达和蛋白表达上发现在这三种乳腺癌细胞系中同样存在着MCPIP1的表达差异，结果提示我们MCPIP1可能与乳腺癌细胞的迁移能力相关。

图 3 MCPIP1抑制单细胞迁移并且抑制TGF-beta通路。MDA-MB-231/Vector和MDA-MB-231/MCPIP1的MCPIP1的mRNA表达(a) 、蛋白表达 (b) 、单细胞迁移距离(c)、迁移能力分群比例(d)和差异基因的火山图(红色为上调基因，绿色为下调基因)。(f)差异基因GO富集柱状图。 (g) MCPIP1过表达前后的与细胞黏附和运动能力、细胞物质重构和TGF-beta通路相关的基因热图。（图片来自J. L. Zhuang, et al., Adv. Sci., 2018, 1801158）。

我们进一步研究外源性过表达MCPIP1对细胞迁移能力的影响，发现MCPIP1的确对细胞的迁移能力有调控作用，进一步的转录组测序结果发现该机制与TGF-beta通路相关。

结论与展望

我们首次设计了一种新型微流控芯片，能同时实现单细胞捕获、迁移、回收和转录组测序等功能，该芯片的独特设计使单细胞均相互独立、互不干扰，且能够基于细胞的迁移能力来对细胞进行靶向分选。我们利用该装置，在MDA-MB-231发现有两组不同迁移能力的细胞分群，并对这两种细胞群进行单细胞转录组分析，发现MCPIP1与迁移速度差异密切相关。后续研究进一步确定增强MCPIP1表达能有效地降低肿瘤细胞的运动能力，且能够有效地抑制肿瘤转移恶性，并提示TGF-beta通路可能参与其中。该结果有力地证明了该系统的可行性，有望成为一个研究肿瘤转移新机制和新药开发的新工具。

原文链接:

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

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