作者无任何利益冲突需要披露。

细胞生物学中的微尺度工程

Micro-scale Engineering for Cell Biology

Joel Goldman。我是麻省理工学院电气工程与计算机科学系的副教授，在此任职已有五年。通常情况下，我们的研究涉及将微尺度工程应用于细胞生物学的交叉领域。我们的研究主要集中在两个方向：一是细胞流式分析技术，例如构建微尺度平台以实现细胞分选。其中许多工作依赖于显微镜后的分选能力，即能够在成像后分离不同的细胞，或能够按照特定方式排列细胞，例如将A型细胞与B型细胞在刺激因子C作用下进行组合，实现此类功能。实验室的另一半工作则专注于干细胞生物学中的微加工技术，主要研究对象是胚胎干细胞，重点在于自我更新能力的研究。我们进行了几项不同的实验。其中包括微流控培养，通过液体灌注来更好地调控可扩散信号分子的传递。此外，我们还对细胞集落进行图案化，以实现对集落间相互作用的控制。然后我们进行细胞的图案化排列，这时生物翻转芯片就派上用场了，它本质上是一种运输单个细胞并将其置入特定构型的方法。在培养板上研究细胞是一种极佳的策略，过去25年来，我们通过在培养板上开展实验，已经深入了解了许多干细胞生物学的知识。因此，这是一种非常有效的方法，如果可行，你应当采用它。但在某些情况下，对细胞尺度长度的精确控制显得尤为重要。当考虑到体内发育过程受到极其严密的调控时，就不难想象，在细胞尺度上以时间依赖的方式控制细胞与哪些细胞进行通讯、细胞附着于何种基质以及细胞所处的环境成分，对于组织发育至关重要。形态发生等此类过程，如果能够深入理解某一现象发生背后的生物学基本原理，将非常有助于开发新的治疗方法。因此，我们的许多设备旨在解答这些基础性的根本问题，例如：细胞为什么会决定自我更新？胚胎干细胞是在什么条件下选择自我更新而非分化的？此外，还有一个问题是，如果你试图扩大生产规模，就需要了解在扩增过程中有哪些关键因素起重要作用。例如，对于这种生物翻转芯片，我们开始探讨一些问题：在何种条件下，应该如何以及必须如何扩增细胞，才能最大限度地提高我们所关注的未分化状态、铺板效率等指标。诸如此类的问题。其次，与此相关的是，我们需要思考一系列问题：为什么小鼠的诱导多能干细胞与人类的诱导多能干细胞存在差异？它们有何不同？是文化差异导致的假象，还是本质上的差异？这类问题。我认为在接下来的五到十年内，实际上将开始出现源自胚胎干细胞的新疗法，而这一点目前尚未被证实。但你知道，近期在细胞重编程方面的一些研究成果，以及人们能够达到的一些终点，已经非常、非常令人印象深刻。所以我认为，尽管几年前我会说这还需要20年，但现在我觉得更接近5到10年。

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