生物微机电系统与细胞生物学：展望与应用

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

细胞培养技术的发展彻底改变了基础细胞与分子生物学研究中的假设验证方式。该技术已成为药物筛选、毒理学和临床检测中的标准方法，并在再生医学中得到日益广泛的应用。然而，传统的细胞培养方法——基本上是将大量细胞浸没于均一的液体培养基中，并生长在均一的平面基底上——在基础研究和实际应用两方面正变得越来越受限。微加工技术使研究人员能够以微米级精度设计基底的生化成分与拓扑结构、培养基组成，以及细胞微环境中的邻近细胞类型。此外，微技术在概念上非常适用于开发快速、低成本的体外系统，可实现对细胞在大量不同条件下进行高通量培养与分析。在本次访谈中，Albert Folch 阐述了这些局限性，以及如何利用软光刻和微流控技术加以克服，并介绍了其实验室中一些相关研究实例及未来发展方向。

细胞培养技术的建立彻底改变了基础细胞与分子生物学研究中的假设验证方式。该技术已成为……的标准方法。

我是Albert Falk，西雅图华盛顿大学的教授，我的研究领域是生物微机电系统（biomes），即生物医学微机电系统的简称。我们从事微流控技术的研究，主要聚焦于细胞生物学领域的应用，尤其是神经科学领域。实验室的重点之一是尝试克服传统细胞培养技术的局限性。如果你观察细胞生物学家在体外、在培养皿中研究细胞的方式，会立即注意到细胞浸泡在一种均一的细胞培养基中，并且它们所附着的表面也是均一的。然而，在体内，细胞所处的表面并非均一。它们并非处于均匀的培养环境中，而是实际上暴露于多种随空间和时间变化的信号中，这些信号常以浓度梯度的形式存在，同时它们被一种凝胶状的基质所包围。在培养皿中研究细胞时还存在一些实际限制：你需要使用培养箱，而培养箱是一种体积较大且昂贵的设备。通常，生物学家希望研究多种不同的条件。他们希望研究某种细胞在细胞培养A和细胞培养B中的情况。细胞对这些化合物的反应存在很大的变异性。因此，生物学家通常会将细胞接种在不同的培养皿中，可能每个条件设置三个重复，然后研究一系列不同的条件。这样一来，他们最终会消耗大量的细胞培养基、耗材和培养皿，同时还需要占用大量空间。因此，我们正试图将其微型化，这是其中一个方面。此外，更换细胞和细胞培养基的过程需要大量的移液操作，这在时间和人力投入方面成本很高，同时也需要大量液体进出培养皿。另一个局限性是，为了使所有表面都布满细胞，必须使用大量细胞，而这通常需要牺牲大量动物。此外，仅仅由于数量巨大，成本也可能非常高。因此，传统技术最终会耗费大量资金。它们成本很高，不仅体现在实施任何实验所需的时间和人员投入上，而且在实际操作中，生物学家最终往往不得不减少研究的表面数量或实验条件的数量。因此，所得数据的统计学效力非常弱。按照工程学标准，典型生物学研究的结论往往是定性的，因此这些研究最终都难以规模化。因此，在基因组学时代，这正成为一个日益严重的问题：人们希望研究大量条件和众多变量，以发现新的变量和新的细胞现象，而这些只有通过研究大量细胞和条件才能揭示。微加工技术为我们提供了多种优势，我们出于不同原因加以利用。首先，从基本原理角度来看，这些优势与微电子学中的晶体管类似——晶体管在尺寸更小时性能更佳。在这里，我们也构建能够作用于所研究对象尺度的装置，而这些对象正是细胞。微加工技术能够以多种方式克服这些局限，而不仅仅是一种方式。它使您能够对大量单个细胞进行检测。因此，这能让你立即获得非常定量的结论。同时，它还使你能够进行低成本的实验。此外，这些系统的制造成本非常低廉，因为你可以用一个设备的价格制造出多个设备。此外，由于这些系统易于操作，且非常易于实现自动化，因此运行成本低廉。上述制造成本低和运行成本低的优势，促成了非常成功的商业化应用。最后，这些系统还非常适用于定量设计。这一点非常重要，因为通过这种方式，我们可以对微流控装置的行为或表面的制备过程进行建模，并精确了解其工作原理。然后我们再返回进行验证，这一过程是通过建模完成的。我们尚未进入实验室操作阶段。当一切在理论上可行后，我们便进入实验室进行实施，从而节省大量时间。我们实验室使用的一项主要技术称为软光刻（soft lithography），这是一系列由哈佛大学的 George Whiteside 自上世纪九十年代初开发的、相互关联的技术。这些技术基于对一种透明弹性体材料的复制与模塑，该材料名为聚二甲基硅氧烷（Polymethyl Sloane），即生物学家所熟知的 PDMS，其商品名为 Sylgard 184，由 Dow Corning 公司生产。它本质上是一种透明橡胶制成的装置。你可以弯曲它，而且正如我所说，它可以被塑形，并能使用同一个模具反复复制。制作成本较高的是模具本身，而材料则按桶购买。它，它，你知道，它并不昂贵。此外，它的生物相容性非常好。你甚至可以在其表面接种细胞。它被用于植入物中。另一个显著的优点是其透明性，这对于生物显微镜观察非常重要，众所周知，生物显微镜是生物学研究中一种极为重要的分析方法。正如你在实验室视频中所看到的，其成型工艺非常简单、直接。这只需要混合两种组分即可。你知道，任何人都能做到。就像烹饪一样，把东西放进烤箱里就行了。甚至我四岁的儿子也来过实验室，并且真的制作出了橡胶。因此，这个过程确实非常简单直接。微流控学是研究流体行为的学科。在微小的通道中，正如你所知，你无法将一块石头投入水下。这是因为石头与水之间的摩擦力相对于你施加在石头上的力而言非常大。在微小通道中也会发生类似的情况，但情形正好相反。水是流动的物体，而周围的管壁由于微通道中极高的表面积与体积比，对水流产生很大的摩擦力，因此管壁的影响非常显著。与粘性力以及管壁引起的摩擦力相比，这些惯性力非常微弱。由于粘性力占主导地位，微通道中从不会发生湍流，因此我们所观察到的是一种被称为层流的流动状态，因为流体以片状形式流动。此处展示了一个示例，其中不同的流体流无法混合，因为它们是并排流动的。由于不存在像搅拌咖啡时那样加速混合的湍流现象。现在，由于黏性力占主导地位，在微通道中很难产生湍流，这意味着两个汇入同一通道的流体流不会发生混合，而只能通过扩散进行极其缓慢的混合。现在我们利用这一特性，使细胞群体甚至单个细胞的不同部分暴露于不同的流体中。我们这样做的原因是，这正是体内发生的情况。在生物体内，细胞会暴露于各种物质的梯度环境中，而且很多时候这种暴露是短暂的。因此，由于我们能够精确地模拟流体中的行为，甚至可以模拟流体流中不同物质的扩散过程，所以我们能够明确细胞暴露于何种浓度的环境，以及细胞的哪些部分暴露于何种浓度。这使得我们能够对细胞暴露于特定物质的情况进行高度定量的研究。为了说明层流如何用于细胞研究，我们在实验室中有一个项目，正在尝试让一个肌细胞误认为它正受到神经元的刺激。因此，在发育过程中，神经纤维会在某个阶段到达肌肉，并分泌一种称为arin的物质，该物质参与突触的形成。我们所进行的实验在概念上其实非常简单：将肌细胞置于一个装置中，并使其暴露于仅在流体中央区域含有arin的流动环境中。这样我们就可以假设该装置是神经，而装置内的肌细胞是在发育过程中真实的肌肉。微流控技术另一个非常强大的应用实例是轴突导向研究。在此类研究中，其核心思路是利用我们对小体积空间内流体扩散行为的精确预测能力，来生成特定物质的浓度梯度。在发育过程中，浓度梯度部分决定了神经细胞如何找到其靶标。因此，我们试图在培养皿中重现这一过程。在微通道内，嗅觉是一种令人着迷的感知系统。小鼠鼻子中的神经元每个仅表达一种类型的嗅觉受体。小鼠基因组中大约有一千种不同的嗅觉受体基因。每种受体可结合多种气味分子，而每种气味分子也可结合多种受体。因此，我们认为，我们感知气味的方式是通过一种组合机制来实现的。在传统的功能研究中，很难找到大量气味分子与特定受体之间，或单一气味分子与大量受体之间的对应关系。这是因为，很难将任意一个神经元或感觉神经元暴露于一系列不同的气味分子中，反之亦然——对于任意一种气味分子，也很难将其暴露于嗅上皮中的所有神经元。因此，我们的方法是获取嗅上皮组织，将其解离成单个细胞，并将这些细胞放置于一个大型微孔阵列上，每个微孔中放入一个细胞。通常，在一个视野中，我们利用钙成像技术对数以万计的神经元进行成像，并观察这些大量神经元对气味物质及气味物质组合的激活模式。这使我们能够确信，对于任何一种选定的特定气味，我们都在观察整个嗅觉受体空间，即该阵列中至少有一个或少数几个受体存在表达。通过这种方法，我们就可以提出一些问题，例如，那些感知香蕉气味的细胞中，有多少同时也感知柠檬气味。这些微流控和微图案化技术实际上相当简单直接，而我认为它们在细胞生物学领域尚未被更广泛采用的原因，在于工程师与生物学家之间的文化差异。生物学家通常对新技术或多或少有些犹豫，甚至排斥；而工程师通常在细胞生物学或生物学整体方面又不够专业。我相信在不久的将来，生物学家将不再需要反复求助于我这样的人。他们将能够自行设计一个简单的装置，并将设计图纸送往类似 alu foundry 这样的代工厂，一两天内就能通过联邦快递收到该装置，随后便可非常方便地自行开展实验。

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微机电与细胞生物学研究所:展望与应用

细胞培养技术的发展彻底改变了基础细胞与分子生物学研究中的假设验证方式。该技术已成为药物筛选、毒理学和临床检测中的标准方法，并在再生医学中得到日益广泛的应用。然而，传统的细胞培养方法——基本上是将大量细胞浸没于均一的液体培养基中，并生长在均一的平面基底上——在基础研究和实际应用两方面正变得越来越受限。微加工技术使研究人员能够以微米级精度设计基底的生化成分与拓扑结构、培养基组成，以及细胞微环境中的邻近细胞类型。此外，微技术在概念上非常适用于开发快速、低成本的体外系统，可实现对细胞在大量不同条件下进行高通量培养与分析。在本次访谈中，Albert Folch 阐述了这些局限性，以及如何利用软光刻和微流控技术加以克服，并介绍了其实验室中一些相关研究实例及未来发展方向。

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