細胞的趨化性遷移對于多種生物活動及臨床具有重要意義，其在免疫反應(yīng)、癌癥轉(zhuǎn)移和組織再生等眾多生理病理活動中起著關(guān)鍵作用。

相較于傳統(tǒng)的細胞趨化遷移檢測技術(shù)，微流控芯片能在微尺度下精確控制細胞微環(huán)境和實時觀測細胞遷移的動態(tài)過程，逐漸成為開展定量細胞遷移研究的有力工具，同時還在揭示細胞遷移機制及其相關(guān)疾病診療方面展現(xiàn)了豐富的應(yīng)用場景。

微流控細胞遷移技術(shù)最近研究進展如何？應(yīng)用方向有哪些？前景怎樣？近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院副研究員、博士生導(dǎo)師巫建東博士，圍繞“基于微流控的細胞趨化遷移研究”進行報告分享，介紹了他在該領(lǐng)域的最新研究進展。

從中國科學技術(shù)大學本科畢業(yè)后，他進入中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院并獲得碩士學位。2016年，他在加拿大曼尼托巴大學獲得生物系統(tǒng)工程博士學位，隨后在該校理學院從事博士后研究工作。2020年，他回國并加入中國科學院深圳先進技術(shù)研究院。

目前，巫建東是中國科學院深圳先進技術(shù)研究院副研究員、博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域涵蓋微流控技術(shù)、細胞遷移、器官芯片、體外診斷、智能圖像分析、生物傳感與檢測系統(tǒng)以及免疫系統(tǒng)與腫瘤微環(huán)境等，他的主要研究方向為開發(fā)基于微流控芯片的細胞遷移檢測技術(shù)和系統(tǒng)，以及探索該技術(shù)在機制研究、疾病診斷、藥物篩選等方面的應(yīng)用。

迄今為止，巫建東已在Lab on a Chip、npj Digital Medicine、ACS Sensors、Biosensors and Bioelectronics、Plos One等國際期刊發(fā)表SCI論文30余篇，申請4項PCT國際專利。除此之外，他還入選深圳市海外高層次人才，曾主持國家自然科學基金、廣東省基金委粵深聯(lián)合基金、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究基金等多個科研項目。

微流控技術(shù)助力細胞遷移的研究與應(yīng)用

在報告分享中，巫建東首先介紹了細胞遷移和微流控?！八^細胞遷移，是指細胞在接收到遷移信號或感受到某些物質(zhì)的梯度后而產(chǎn)生的移動?！彼f道，“細胞遷移為正常細胞的基本功能之一，是機體正常生長發(fā)育的生理過程，也是活細胞普遍存在的一種運動形式。在免疫反應(yīng)、癌癥轉(zhuǎn)移、神經(jīng)發(fā)生、血管生成、傷口愈合等過程中都涉及細胞遷移?！?/p>

其中，有些細胞遷移是有益的，比如免疫細胞遷移至感染部位以抵抗病原入侵。另外，有些細胞遷移則是有害的，比如癌細胞的轉(zhuǎn)移。“細胞的狀態(tài)和功能與疾病的產(chǎn)生和發(fā)展密切相關(guān)，傳統(tǒng)的標志物主要是基于細胞的數(shù)量、形態(tài)等參數(shù)，相較之下，細胞的遷移功能是一種潛在的疾病診斷新型標志物?！蔽捉|介紹說。

▲圖｜細胞遷移可作為潛在的疾病診斷新型標志物（來源：PNAS）

調(diào)控細胞遷移的外界環(huán)境因素有多種，比如電場、磁場、化學場以及機械力等?！皞鹘y(tǒng)的細胞遷移檢測方法難以形成穩(wěn)定的濃度梯度，業(yè)界亟待需要一種全新方法來形成穩(wěn)定濃度梯度來檢測細胞遷移，而微流控技術(shù)則可以很好地滿足這一需求?！蔽捉|指出。

所謂微流控，即微尺度的流體操控技術(shù)，微流控技術(shù)借助獨特的流體現(xiàn)象能夠?qū)崿F(xiàn)一系列常規(guī)方法難以完成的微操作，在生物醫(yī)學研究中具有較大發(fā)展?jié)摿蛷V闊應(yīng)用前景。而微流控裝置則通常被稱為微流控芯片，其具有微型化、集成化等優(yōu)勢。

關(guān)于使用微流控芯片進行細胞趨化遷移的相關(guān)研究，巫建東介紹道，比如借助微流控芯片可以用來探索細胞感應(yīng)時空變化信號的機制。“一般認為，細胞感受時空變化濃度梯度變化的方式有兩種，即時間濃度和空間濃度。”他說道，“比如細菌在濃度梯度中隨機游走，當感受到濃度發(fā)生改變之后會向高濃度區(qū)域進行有偏向的隨機游走，細菌可以感受到不同時間的濃度變化來進行誘導(dǎo)定向遷移；再比如，一些細胞感受到空間位置（前段和后端）的濃度差，空間的濃度差可以誘導(dǎo)細胞向高濃度區(qū)域進行定向遷移。微流控能有效解耦時間和空間濃度變化的信號，從而更好的揭示細胞遷移感應(yīng)時空信號的機制?！?/p>

只需一滴血即可快速檢測免疫細胞遷移

巫建東展示了他及其合作者在微流控細胞遷移領(lǐng)域所取得的一些研究成果?！拔覀冮_發(fā)了可以用一滴血快速進行免疫細胞遷移檢測的微流控芯片。傳統(tǒng)的方法是先將免疫細胞在片外進行分離，然后把純化的免疫細胞隨機分布在通道中，需要借助流體泵注入溶液生成梯度，這種方法用來分析細胞遷移軌跡較為復(fù)雜?！彼a充說。

據(jù)介紹，他們設(shè)計的新型微流控芯片可使免疫細胞的分離和趨化在同一芯片中完成，融合磁珠標記和重力壓力差的方法，在不借助外部流體控制設(shè)備的條件下可以形成非常穩(wěn)定的濃度梯度。“此外，我們還開發(fā)了細胞預(yù)排列結(jié)構(gòu)，如此一來，細胞遷移的‘起跑線’便框定在了同一區(qū)域，進而，可以對細胞遷移距離進行快速分析?！彼f。

相較于傳統(tǒng)方法，這項技術(shù)將整個試驗的時間從原來的3小時縮短到25分鐘；所需血量從10mL減少到10μL，而且操作簡單，無需流體泵，只需液槍即可完成整個流程?！盎谠摲椒ǚ蛛x出的中性粒細胞純度可達99%以上，而且在引入趨化物后細胞會迅速向高濃度區(qū)域進行定向遷移，證明該方法是非常有效的?！蔽捉|表示。

▲圖｜一滴血快速檢測免疫細胞遷移技術(shù)

此外，他們還開發(fā)了一種高通量微流控芯片，深入研究了乳腺癌細胞的遷移機制?！拔覀儗ξ⒘骺匦酒M行了一些改進，通過對細胞預(yù)排列結(jié)構(gòu)的尺寸進行優(yōu)化調(diào)整以適合癌細胞的遷移，借助壓力差的方式來驅(qū)動流體，同時用油滴連通兩個入口來實現(xiàn)壓力平衡，從而保證了濃度梯度在空間和時間上的穩(wěn)定性。”他介紹道，“試驗結(jié)果顯示，趨化物能夠有效誘導(dǎo)乳腺癌細胞的趨化性，且趨化物的空間濃度梯度是誘導(dǎo)乳腺癌細胞定向遷移的關(guān)鍵。他們還展示了開發(fā)的這種高通量微流控芯片在癌細胞遷移靶向藥物評估方面的應(yīng)用。”

▲圖｜高通量微流控芯片的設(shè)計與操作流程（來源：Lab on a Chip）

微流控細胞遷移實驗往往需要借助傳統(tǒng)的活細胞工作站，其體積龐大、價格昂貴、操作復(fù)雜，無法滿足一些便攜式應(yīng)用場景的需求，巫建東課題組研發(fā)了一系列新型便攜式細胞遷移檢測成像系統(tǒng)。

“我們開發(fā)了一種基于USB顯微鏡的微流控細胞遷移成像系統(tǒng)和配套的圖像處理軟件，目前這套設(shè)備已經(jīng)取得了美國專利。此外，還開發(fā)了一種基于手機攝像頭的微流控細胞遷移成像系統(tǒng)。”巫建東介紹道，“為了進一步提升成像質(zhì)量，我們將光學顯微成像模塊和溫濕度環(huán)境控制模塊進行有機結(jié)合，開發(fā)出一種集成式的微流控細胞遷移成像系統(tǒng)，其細胞遷移成像效果與傳統(tǒng)活細胞工作站成像效果相當?！?/p>

▲圖｜基于手機的微流控細胞遷移成像系統(tǒng)（來源：Biosensors and Bioelectronics）

應(yīng)用層面，巫建東以中性粒細胞和T淋巴細胞為例，展示免疫細胞遷移在慢阻肺研究和診斷方面的研究進展。對于慢阻肺，傳統(tǒng)的診斷方法是通過肺功能評估來分析病情，其靈敏度和特異性較低。“在病理學上，呼吸道在外界刺激下會分泌一些細胞因子，細胞因子會吸引血液中的免疫細胞聚集，進而引發(fā)呼吸道炎癥、呼吸困難等癥狀。”巫建東說道。

“我們提取慢阻肺患者的血樣和痰樣，用微流控芯片檢測血樣中的中性粒細胞在痰樣上清液濃度梯度的遷移，試驗結(jié)果顯示，細胞遷移指標和傳統(tǒng)肺功能指標負相關(guān)，這表明，痰樣誘導(dǎo)中性粒細胞的遷移可以作為潛在慢阻肺檢測標志物。”他指出，“我們還采用微流控芯片測試痰樣對T淋巴細胞遷移的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與中性粒細胞恰恰相反，痰樣上清液對T淋巴細胞遷移起到抑制效果?！?/p>

除此之外，巫建東表示，“微流控細胞遷移未來在治療方面也擁有豐富的應(yīng)用場景，比如針對當下比較熱門的腫瘤免疫細胞療法，CAR-T細胞療法，改造后的T細胞遷移到腫瘤部位的效率還有待進一步提高，基于我們微流控細胞遷移技術(shù)的研究，可以篩選和分離出遷移比較好的T細胞，然后將其輸回患者體內(nèi)，從而實現(xiàn)更好的治療效果?！?/p>

深度學習加速細胞遷移研究進程

最后，巫建東對微流控細胞遷移研究領(lǐng)域進行了總結(jié)與展望?！拔⒘骺匦酒嵌垦芯考毎w移的重要工具，能在機制研究、疾病診療、藥物篩選等方面發(fā)揮重要作用。”他表示，“但是，現(xiàn)階段缺乏標準化芯片和方法是制約微流控細胞遷移技術(shù)廣泛應(yīng)用的限制因素，對此，研發(fā)簡單易用、高通量的微流控芯片和檢測系統(tǒng)是解決這一挑戰(zhàn)的有效方法?！?/p>

除此之外，“基于微流控的細胞遷移研究揭示了中性粒細胞和T淋巴細胞在慢阻肺病中截然相反的兩種不同反應(yīng)，相信后續(xù)我們結(jié)合深入的分子機制研究，將為慢阻肺病的發(fā)病機制研究、精準診斷和藥物開發(fā)提供有力支撐。”巫建東表示。

他還介紹了微流控細胞遷移研究當前面臨的一些痛點?！皩τ诩毎w移研究，傳統(tǒng)的方法是人工手動追蹤的方式對細胞遷移軌跡進行記錄和量化分析，費時費力，存在人為誤差，而深度學習技術(shù)有望成為解決這一難題的有力工具。但也存在一些挑戰(zhàn)，如何克服細胞變形、消失、分裂、碰撞等挑戰(zhàn)，準確的分割和追蹤細胞是細胞遷移數(shù)據(jù)分析中的難點?！蔽捉|總結(jié)道。

審核編輯 ：李倩