一种用于探测细胞变形能力的微流控技术

摘要

我们展示了一种基于微流控的检测方法，用于测量细胞通过一系列微米级狭窄通道的通过时间尺度。

摘要

本文详细介绍了用于高效评估大量单个细胞变形能力的微流控装置的设计、制备及使用方法。通常可在1小时的实验中获取约10²个细胞的数据。自动化的图像分析程序可实现对实验后图像数据的高效处理，使整个分析过程在数小时内完成。本装置的独特结构设计要求细胞必须依次通过一系列微米级的狭窄通道，从而能够检测单个细胞的初始变形能力及其随时间变化的应力松弛行为。本文以人早幼粒细胞白血病（HL-60）细胞为例，验证了该方法的适用性。通过压力驱动流动促使细胞变形并通过微米级狭窄通道，我们观察到人早幼粒细胞（HL-60）在通过第一个狭窄通道时会瞬时阻塞，中位阻塞时间为9.3毫秒，随后通过后续狭窄通道的速度更快，每个通道的中位通过时间为4.0毫秒。相比之下，经全反式维甲酸处理（中性粒细胞样）的HL-60细胞在通过第一个狭窄通道时仅阻塞4.3毫秒，随后通过后续通道的中位通过时间为3.3毫秒。该方法有助于深入理解细胞的黏弹性特性，并最终揭示这一行为背后的分子机制。

引言

细胞形态的变化在多种生物学情境中至关重要。例如，红细胞和白细胞在通过直径小于其自身直径的毛细血管时会发生形变¹。在转移过程中，癌细胞必须穿过狭窄的细胞间间隙以及迂曲的血管和淋巴网络，才能在继发部位定植²。为了研究单个细胞的物理行为，微流控装置提供了一个理想的平台，可定制用于研究多种细胞行为，包括其穿过狭窄间隙的能力³，以及被动通过微米级收缩结构的形变能力^3-9。聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控装置具有良好的光学透明性，可利用光学显微镜观察细胞形变，并通过基本的图像处理工具进行分析。此外，可精确设计收缩结构阵列，从而实现对多个细胞的同步分析，通量超过许多现有技术^10,11。

本文介绍了一种利用“细胞变形器”（Cell Deformer）PDMS微流控装置检测细胞变形能力的详细实验方案。该装置设计使细胞依次通过一系列收缩区域，这种几何结构在生理环境中十分常见，例如肺毛细血管床¹²。为评估细胞的变形能力，穿行时间是一个便捷的测量指标，可简单定义为单个细胞通过单个收缩区域所需的时间^4,6。为在细胞通过过程中保持收缩通道两端恒定的压力差，我们采用压力驱动流动。本方案包含装置设计与制备、压力驱动流动的操作方法、细胞的制备与成像，以及图像处理以测量细胞通过一系列收缩区域的变形时间。我们随文提供了装置设计图和视觉数据处理代码作为补充文件。作为代表性数据示例，我们展示了细胞通过一系列收缩区域的穿行时间随所通过收缩区域数量的变化关系。分析细胞通过微流控装置中狭窄收缩区域的时间尺度，可揭示多种细胞类型在变形能力上的差异^4,5,13。本文展示的装置可独特地检测细胞通过一系列微米级收缩区域的穿行行为；该设计模拟了细胞在循环过程中所经历的曲折路径，同时还能用于探测细胞的其他物理特性，如松弛时间。

方案

1. 微流控装置设计

注意：该装置设计包含四个基本功能区域：入口端口、细胞过滤器、收缩阵列和出口端口（图1）。该整体设计可适用于多种细胞类型，仅需对尺寸进行微小调整。本文提供了一些基本的设计建议以及针对多种原代细胞和永生化细胞均有效的装置参数。

1. 选择收缩阵列通道的宽度（图1B）约为细胞平均直径的30-50%；该收缩通道与细胞尺寸的比例可导致细胞发生显著形变，同时堵塞风险最小。对于此前未测试过的细胞类型，建议设计一系列宽度范围约为细胞直径30-50%的收缩通道，以确定最佳宽度。与许多类型的微流控器件类似，单个4英寸硅片上可制备超过120个器件主模具，从而可在一次加工过程中同时制造多种不同设计的器件。
2. 选择通道高度至少为细胞直径的50%；这可确保细胞在2 个维度上受到限制。为防止键合过程中通道塌陷，应确保整个器件中通道的高宽比不小于1:10（高度:宽度）。对于必须超过此高宽比的通道，应添加支撑柱以防止塌陷。支撑柱之间的间距应至少为细胞直径的两倍，以免阻碍细胞流动。
3. 在入口端加入滤膜，以去除碎片并解离细胞团簇（图1B）。调整滤膜支柱的尺寸和间距，使支柱之间的间距约等于一个细胞直径。
   注意：特征尺寸的下限由光刻掩模的打印分辨率决定。确保所有特征尺寸均在掩模供应商规定的分辨率限制范围内。

2. 材料与准备

注意：在开始任何实验之前，必须准备好以下物品。整个装置的示意图见图1。

1. 使用光刻微加工的标准技术制备器件原模^14,15使用轮廓仪验证图案化特征的高度。
   注意：虽然在洁净室设施中可以轻松制备母版，但一些实验室已开发出低成本的光刻方法，可在半洁净环境中使用^16,17.
2. 准备用于压力驱动流动的气源，使用压缩空气罐以及一系列空气调节器和管路接头（图1A).
   1. 设置一个空气储罐和手动调节阀。
      注意：5% CO的混合气体组成₂ 空气中可维持与典型细胞培养孵育箱相似的环境，但也可使用其他气体混合物。
   2. 在线手动调压阀上串联一个电子控制调压阀。使用电-气动转换器调节并维持通道两端稳定的压力降，压力波动小于2 kPa。使用以LabVIEW编写的简单代码（补充信息）输入目标压力。
      注意：电-气转换器采用内部反馈回路，调节阀门出口压力，以匹配微流控装置两端的指定压力。
   3. 设置一个加压室以驱动细胞悬液的流动。使用标准流式细胞仪管和一个可在管口形成压力密封的加工盖子组装成细胞悬液室。
      注意：压力室盖上有两个孔口：一个与压缩空气罐相连的进气口，以及一个使细胞从加压室流入装置的出气口图2).
3. 安装一台配备相机的倒置显微镜，该相机的图像采集速率至少为每秒100帧 用于捕获细胞流经收缩阵列时的图像。将相机与视频采集卡和计算机连接。
4. 配制10% w/w Pluronic F-127的磷酸盐缓冲液（PBS）储备液，向细胞培养基中加入少量F127有助于减少细胞在PDMS壁上的黏附。配制F127溶液时，涡旋混匀并在37 °C下轻微加热 以溶解F127。使用前经0.2 µm注射器滤器过滤，室温保存。需提前配制表面活性剂溶液，因涡旋和过滤会产生气泡，气泡可持续存在24小时以上。

3. 微流控装置的制备

1. 制备带有微流控通道的PDMS块。
   1. 按1:10（w/w）的比例将PDMS固化剂与基底充分混合。
   2. 将混合物倒入装置主模（步骤2.1）上。在真空钟罩中脱气，直至夹带的气泡消失，或持续约10–20分钟。
      注意：此过程结束后，PDMS-空气界面处可能仍存在少量气泡，属正常现象；这些气泡通常在烘烤过程中会消散。关键是要确保通道附近无残留气泡。
   3. 将脱气后的装置在65 °C 下烘烤4小时。为防止通道塌陷，可将装置过夜烘烤，以进一步交联PDMS，获得弹性模量更高、更耐通道塌陷的器件。但需注意，长时间烘烤会使PDMS变脆，在打孔时（步骤3.3）可能导致开裂。
2. 从主模具上取下微流控装置。使用剃刀片将单个微流控装置从PDMS块中切割下来，并将其从主模上剥离。操作时先轻轻掀起装置的一角；缓慢而轻柔地剥离，而不是直接将PDMS块垂直提起，可减少对PDMS和主模的应力损伤。
3. 在PDMS装置上打孔，以创建连接管路与微通道的接口。使用穿刺活检打孔器打孔，并 从通道侧穿透至装置外侧。
   注意：使用孔径为0.75 mm的穿刺活检打孔器所制孔洞可与聚醚醚酮（PEEK）管（外径 = 1/32英寸或0.79 mm）或聚乙烯管（PE-20，外径 = 0.043英寸或1.09 mm）完美匹配。对于通道较浅的装置，可使用环形光源辅助观察孔洞位置¹⁸。确保穿刺打孔器锋利；经多次使用后刀口会变钝，应及时丢弃并更换新的打孔器。
4. 用异丙醇（HPLC级）冲洗PDMS装置，以去除灰尘和残留的PDMS碎屑。使用挤压瓶将纯净异丙醇稳定地穿过孔洞，确保打孔处无堵塞物残留。用过滤空气吹干。清洁后，将PDMS块的通道面朝上放置于洁净的培养皿中，以保持装置清洁。如需暂存，可在此状态下保存至键合前。
5. 通过用甲醇（HPLC级）冲洗玻璃基底，再用过滤空气吹干，然后将其置于 200 °C 加热板 上5–10分钟，确保玻璃基底在等离子体处理前完全清洁且干燥。
   注意：玻璃基底构成每个通道的底部。通常使用载玻片即可，因为10X 或20X 物镜适合并行成像多个通道。若需更高分辨率成像，应将装置键合至盖玻片（#1.5厚度）上。
6. 将PDMS装置键合至玻璃基底上。
   1. 对PDMS块的通道面和一片玻璃载片的 一侧进行氧气等离子体处理。
      注意：若使用手持放电装置，处理时间建议为1分钟，但应根据具体氧气等离子体设备优化处理时间。
   2. 处理完成后立即把PDMS的通道面贴合到玻璃的处理面上。
   3. 施加轻微压力压合约10秒以促进键合。随后将整个装置在较高温度（60–80 °C）下烘烤至少15分钟，以增强键合强度。

4. 通过狭窄通道使细胞变形

1. 在显微镜下检查微流控装置。使用低倍物镜（10X）确认通道未发生塌陷或断裂，并确保进样口和出样口孔洞均直接连通装置内的通道。对于有缺陷的装置，用剃刀片在PDMS表面划痕标记，不得用于实验。
2. 准备待检测的细胞培养样品。在标准条件下培养细胞。
   1. 例如，在含1%青霉素-链霉素溶液和10%胎牛血清的RPMI-1640培养基中，于37 °C、5% CO₂培养箱中培养HL-60细胞。
   2. 对于贴壁细胞，通过胰酶消化法收获细胞，并重悬于新鲜培养基中。采用标准胰酶消化程序；例如，向培养面积为25 cm²的培养瓶中加入约0.5 ml 胰酶，消化后重悬于约30 ml 新鲜培养基中。按照先前描述的方法^19,20，使用全反式维甲酸（ATRA）将HL-60细胞诱导分化为中性粒细胞样细胞，终浓度为每1 × 10⁵个细胞/ml中加入5 µM ATRA。
   3. 以300 × g离心3分钟，小心吸除上清液，并将细胞重悬于含0.1% v/v F-127的新鲜培养基中，调整至适当终浓度。
3. 使用库尔特计数器、血细胞计数板或流式细胞仪对细胞进行计数。将细胞悬液调整至1 × 10⁶ 至 5 × 10⁶ 个细胞/ml的密度。一旦确定悬液密度，再加入约0.1% v/v的F-127。
   注意：细胞密度和表面活性剂浓度可能需要根据具体的细胞体系进行调整；表1 记录了以往不同细胞类型所使用的细胞密度和F-127浓度。
4. 将细胞悬液置于流式细胞仪管中，并连接至压力帽。在将管路连接至微流控装置前，将压力调节至约14–21 kPa，并冲洗系统，直至细胞悬液从管路末端流出。此步骤有助于最大限度减少管路和装置中的气泡。
5. 将含有细胞悬液的管路末端插入装置的进样口。若装置已键合在盖玻片上，连接管路前应将装置放置在平坦、坚固的表面（如显微镜载物台）上；盖玻片较为脆弱，否则可能破裂。
6. 将一段管路插入出口端，并引导至空管中以收集废液（例如固定在显微镜载物台侧边的空Falcon管）。为保证各次实验间装置整体流体阻力的一致性，每次实验所用的进样和出样管路应具有相同直径，并保持大致相同的长度。
7. 缓慢升高压力至约28 kPa，或直至细胞开始在通道中流动。调整装置位置，使多个通道位于视野范围内，并与屏幕底部垂直。若相机受数据量限制，可采集多个视频以获得足够数量的独立数据点。根据所需数据输出调整帧率。如需捕捉细胞形态变化，应以每秒300帧 (fps)的高速成像进行记录；如需测量细胞通过时间，则使用约100 fps的帧率。

5. 数据分析

1. 打开文件 Master_script.m（可下载的补充文件）并运行程序。
2. 从弹出的 Windows 资源管理器窗口中选择第一个待分析的视频。指定所选视频的帧率，然后按 Enter 键。
   注意：此时将出现一个图示，提示用户为第一个视频选择一个矩形裁剪区域。
3. 选择一个从左到右包含所有通道，并在上下方向上刚好与顶部和底部通道阵列的第一个灯泡部分相交的裁剪区域（图3）。
4. 从裁剪后的图像中选择收缩区域。请特别注意，为每个选定的视频保持顶部和底部窗口边界之间固定的像素距离。
   注意：顶部窗口边界指定最上方的收缩位置，底部窗口边界指定最下方的收缩位置（图4）；中间的收缩位置将根据用户的输入进行近似计算。随后，算法将显示每个视频前50帧的细胞分割结果（图5）。
5. 密切观察左上角的图像（图5A），以判断算法是否准确地定位了细胞；二值化图像将叠加在原始视频上，以显示已识别细胞的位置。
   注意：其他窗口（图5B-5D）用于代码诊断，展示经过特定图像处理操作后的视频帧。
6. 从 Windows 资源管理器窗口中选择下一个待处理的视频。
   注意：算法将对每个选定的视频重复执行步骤 5.2–5.5。
7. 当通过 Windows 资源管理器窗口添加完所有需要处理的视频后，选择“取消”，以通知函数视频列表已完整。
   注意：算法将在无需用户干预的情况下完成剩余操作。所需时间约为 1–2 小时 ，具体取决于处理的视频数量和计算机性能。完成后，算法将生成穿行时间数据的直方图，并将数据保存在目录中，格式为 MATLAB .mat 文件和 Microsoft Excel .xls 文件。

结果

为了研究不同类型细胞的变形能力，采用“细胞变形器”微流控技术对人髓系白血病细胞（HL-60）、分化后的中性粒细胞、小鼠淋巴细胞以及人卵巢癌细胞系（OVCAR8、HEYA8）进行评估。HL-60细胞和中性粒细胞样HL-60细胞的典型结果展示了单个细胞通过一系列狭窄通道所需的穿越时间，如图6所示。在28 kPa驱动压力下，对一系列7个7 µm狭窄通道中每个通道的单个细胞群体分别测量其穿越时间（图6）。

如图6所示，HL-60细胞在通过后续收缩通道前，会暂时阻塞第一个收缩通道，中位时间为9.3 msec。相比之下，中性粒细胞型HL-60细胞在通过通道前仅阻塞第一个收缩通道4.3 msec。HL-60细胞较短的通过时间与其降低的弹性模量和黏性模量一致，这些力学参数由原子力显微镜²¹和微吸管抽吸法²²测定。这些结果也与机械调控蛋白lamin A的表达水平降低一致，该蛋白决定了细胞通过微米级间隙的通过时间²³。一旦通过第一个收缩...

讨论

本文提供了一种利用压力驱动流动分析细胞通过狭窄微流控通道时发生形变的完整实验方法。一个MATLAB脚本可实现数据的自动化处理（补充材料）；该代码的更新版本已持续维护（www.ibp.ucla.edu/research/rowat）。更广泛而言，本文所述技术可适用于多种基于细胞的微流控检测，包括细胞骨架和细胞核硬化剂效应的研究^24,23，以及不同类型癌细胞变形能力的检测^4,5。结合更高分辨率的显微成像技术以观察亚细胞结构的形变，该方法为研究生理和病理条件下细胞力学特性的变化提供了强有力的手段。

自动细胞处理算法

获取的视频可通过 MATLAB 脚本进行分析，用户干预极少。算法流程如图7所示，相关 MATLAB 函数集详见补充信息。简而言之，用户需选择所有待分析的视频；对每个视频裁剪出...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Pluronic F-127 嵌段共聚物表面活性剂	费舍尔科技	8409400	由巴斯夫生产，也可通过Sigma公司获得
PDMS 基底剂与交联剂	Essex Brownell	DC-184-1.1	通常称为 Sylgard 184 弹性体的产品
氧气等离子体放电装置	Enercon	Dyne-A-Mite 3D Treater
活检打孔器，Harris Uni-Core（0.75 mm）	Ted Pella, Inc.	15072
手紧式卡套，1/32"	Upchurch Scientific	UP-F-113
手紧式 III 型接头，10-32	Upchurch Scientific	UP-F-300X
聚醚醚酮（PEEK）管，外径 = 1/32" 或 0.79 mm	Valco	TPK.515-25M
聚乙烯（PE-20）管，0.043" 或 1.09 mm	贝克顿·迪金森公司	427406
压力调节器	Airgas 或 Praxair
聚氨酯管，5/32” 外径	McMaster Carr	5648K284
快插式接头	McMaster Carr	5111K91
电压-压力（E/P）电-气动转换器	Omega	IP413-020
16 位，250 kS/s，80 通道模拟输入多功能数据采集设备	国家仪器公司	NI PCI 6225-779295-01
模拟连接端子块—螺钉式端子	国家仪器公司	SCB-68-776844-01
LabView 系统设计软件	国家仪器公司
MATLAB 软件	MathWorks, Inc.	MATLAB R2012a	代码需要图像处理工具箱
屏蔽电缆	国家仪器公司	SHC68-68