本方案描述了一种基于磁性阿基米德效应的无墨、无标记、不受基底限制且高通量的细胞图案化方法。
方法文章
本方案描述了一种基于磁性阿基米德效应的无墨、无标记、不受基底限制且高通量的细胞图案化方法。
细胞图案化技术能够精确控制细胞的位置分布,在研究细胞行为方面具有独特优势。本实验方案介绍了一种基于磁力-阿基米德(Mag-Arch)效应的细胞图案化策略。该方法无需使用墨水材料或标记颗粒,即可实现对细胞分布的精确调控。通过向细胞培养基中加入顺磁性试剂以增强其磁化率,细胞会受到磁铁的排斥作用,并在微流控基底下方磁体阵列的互补位置上自组织形成特定图案。
本文提供了基于Mag-Arch策略进行细胞图案化的详细操作流程,涵盖单细胞类型以及用于共培养实验的多细胞类型的图案化方法。同时,文中还提供了包含细胞图案化通道的微流控装置制备的全面指导。利用传统并行方法实现此类功能具有挑战性,而该策略则以简化且经济高效的方式实现了这一目标。采用基于Mag-Arch的细胞图案化技术,为研究人员提供了一种强大的工具 体外 研究
细胞图案化正发展成为一种直观而强大的技术 体外 研究1通过调控培养板中的细胞位置,为包括细胞迁移在内的多种实验提供了解决方案2,仿生多细胞共培养3,类器官组装4,生物材料研究5,以及其他更多应用。在大多数情况下,无墨、无标记的细胞图案化方法更受青睐,因为它操作简便,并能为后续研究提供较高的细胞活性。
Mag-Arch效应是一种物理现象,即在顺磁性液体中的抗磁性物体会趋向于向磁场较弱的区域移动6。活细胞天然具有抗磁性,而通过向细胞培养基中添加可溶性顺磁性物质(如常用于核磁共振成像中作为对比剂的钆喷酸葡胺(Gd-DTPA)),可使培养基呈现顺磁性7。因此,细胞预期会受到周围顺磁性介质的排斥,向磁场较弱的区域移动8。使用一组钕铁硼磁体即可轻松产生具有特定图案的磁场。理想情况下,细胞形成的图案与磁体的排布图案相反。从技术上讲,该方法被定义为一种无标记方法,因为唯一添加的试剂Gd-DTPA仅存在于细胞外环境中,不会与细胞结合。因此,通过更换培养基即可轻松避免其对后续细胞培养可能产生的影响。与其他方法1,3,9,10相比,基于Mag-Arch的策略无需生物墨水组分,也不需要将特定颗粒应用于细胞以实现正向标记。此外,该方法已被证明可在多种支持细胞黏附的基底上实现,并具备高通量细胞图案化的能力4。
本文介绍了一种基于 Mag-Arch 方法的细胞图案化详细实验方案,涵盖了从器件制备到细胞图案调节的各个环节。除了文中已展示的图案外,用户还可利用磁铁和 Gd-DTPA 溶液轻松创建多种细胞图案。此外,本文还提供了组装复杂共培养图案以及在封闭式微流控芯片中操控细胞的实验方案。
1. 组装磁铁组
2. 在玻璃载片上进行细胞图案化
3. 通过磁力侧向共培养图案化:可移动模板的制备
注意:以下步骤旨在利用基于 Mag-Arch 的细胞图案化技术,并探索其更多应用的可能性。
4. 通过调节 Gd-DTPA 浓度实现共培养图案化
注意:在工作浓度(≤75 mM)下,钆类造影剂(GBCAs)对细胞黏附或后续生长无显著影响。此外,细胞图案的形态受 Gd-DTPA 浓度的影响:浓度越高,形成的细胞图案越小/越细。因此,通过简单调节 Gd-DTPA 的浓度即可构建共培养系统。本示例展示了同心圆环状阵列的图案化过程。
5. 微流控芯片中的细胞图案化
注意:基于 Mag-Arch 的方法在我们之前的研究中已证明可在封闭的狭窄腔室中使用8。以下是于微流控通道中构建点阵图案的示例。
选择矩形(1.5 mm × 10 mm × 35 mm)和圆柱形(Φ1.5 mm × 10 mm)磁铁用于示范细胞图案的构建。用户可根据需要灵活调整磁铁的尺寸和形状,或采用不同的组装方式,以生成多样化的细胞图案。在图1A、B中,磁铁已进行组装,磁极以蓝色(南极)和红色(北极)标示,以便清晰识别。在此构型中,磁铁在侧向相互吸引并自行对齐,如图2所示。图1C、D展示了细胞培养装置的结构及细胞图案化操作流程。
图2展示了单细胞类型的图案。使用GFP标记的HUVECs在荧光显微镜下进行观察。利用相应的磁体组将细胞排列成条带状和点阵图案。对于黏附于载玻片速度较快的HUVECs(120–180分钟内),整个操作过程在4小时内完成。按照本方案操作可获得边缘清晰、均一性高的细胞图案。为检测细胞活力,将细胞用Gd-DTPA处理12小时,远长于步骤2中的3–6小时。然而,活/死细胞染色和CCK8实验8均显示细胞活力无显著下降。相对较高浓度的Gd-DTPA(50 mM)虽引起统计学差异,但仍保持了90.76% ± 1.78%的存活率(补充图1)。
在单细胞类型图案化方案的基础上,本研究提供了多细胞类型图案化的示例,以用于潜在的共培养应用。在此实验中,采用了人脐静脉内皮细胞(HUVECs)、A2780 卵巢癌细胞以及平滑肌细胞(SMCs)。为区分不同细胞类型,细胞在图案化前分别用 GFP、DiD 和 DiI 进行标记。按照步骤 3,生成了并列条带状的三部分细胞图案(图 3A)。相反,通过调节 Gd-DTPA 的浓度并采用步骤 4,构建了同心圆点阵列(图 3B)。第一层细胞用 DiI(红色)染色,并在 50 mM Gd-DTPA 条件下进行图案化;第二层细胞则用 GFP(绿色)标记,并在 25 mM Gd-DTPA 条件下进行图案化。因此,第一层形成的点状结构较小,被第二层点状分布的细胞以同心方式包围。不同细胞类型表现出不同的贴壁和铺展速率:HUVECs 贴壁和铺展较快,A2780 细胞贴壁迅速但铺展较慢,而 SMCs 的贴壁和铺展均相对较慢。实验结果表明,多种细胞类型均可在 3 小时内形成稳定的细胞图案,并可用于共培养实验。
此外,研究证明,利用磁场进行细胞图案化与封闭的窄通道培养装置(如微流控芯片)相容。通过执行步骤5,制备了微流控芯片,并在其中生成了点阵列(图4)。

图1:基于磁拱结构的细胞图案化装置与示意图。(A)用于形成条纹状细胞图案的磁体组件。(B)用于生成点阵状细胞图案的磁体组件。(C)细胞培养装置的设置。(D)细胞图案化的逐步操作流程。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:装置组装及将人脐静脉内皮细胞(HUVECs)排列成条带状和点阵图案。(A)磁铁组被限制在细胞培养装置内(i),并放置于细胞培养板中(ii)。(B)和(C)为磁铁组及其对应的细胞排列图案。细胞通过绿色荧光蛋白(GFP)标记以可视化细胞排列模式。比例尺 = 1.5 mm;插图 = 500 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:通过逐步策略实现共培养系统的图案化。 (A)利用侧向磁体进行共培养图案化(i-iii)。细胞分别用GFP(绿色)、DiD(蓝色)和DiI(红色)标记,以区分不同类型的细胞。比例尺 = 1 mm。(B)通过调节Gd-DTPA浓度实现共培养图案化;(i)50 mM,(ii)20 mM。比例尺 = 1.5 mm;插图 = 250 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4微流控腔室中的细胞图案化 (A微流控模具的示意图。B使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备微流控器件i,ii). (C微流控装置内的细胞图案化i,ii)以及展示点阵细胞模式的代表性结果(iii)。细胞用绿色荧光蛋白(GFP)标记。比例尺 = 3 mm。 请点击此处以查看此图的放大版本。
补充图1:Gd-DTPA对细胞活力的影响。 人脐静脉内皮细胞(HUVECs)经不同浓度的Gd-DTPA处理12小时后,进行活/死细胞染色或CCK-8检测。(A)HUVECs的活/死细胞染色。比例尺 = 200 µm。(B)活/死细胞染色结果的柱状图。(C)CCK-8检测结果的柱状图。请点击此处下载该文件。
基于 Mag-Arch 的细胞图案化技术为大多数生物医学实验室提供了一种操作简便的解决方案。该方法具有无墨、无标记、不受基底限制以及可实现高通量图案化的优点8,13。对于单一类型细胞的图案化,该方法可通过一步操作完成细胞排布,仅需更换培养基即可完成整个流程。
既往研究利用磁性颗粒标记细胞,并通过磁铁吸引细胞形成精确的图案14,15。然而,细胞上存在磁性颗粒引发了人们对细胞行为可能受到影响的担忧。基于 Mag-Arch 的细胞图案化技术则采取了相反的策略,即让细胞外液体具有顺磁性,而非细胞本身。该策略使得通过更换培养基即可更轻松地去除额外的顺磁性试剂。已有研究利用基于 Mag-Arch 的细胞图案化技术生成了细胞球体和点阵列11,16。与现有的基于 Mag-Arch 的研究相比,本方案所介绍的方法能够自由定制图案的形状。此外,该方案还提供了构建共培养系统的技术策略。我们已在微流控实验中验证,该方法可在封闭的狭窄细胞培养腔室内有效运行。
与需要专业生物打印设备17、定制模板18或复杂表面修饰19的并行方法不同,基于 Mag-Arch 的方法仅需两个必要条件:磁铁和钆基对比剂(GBCAs)。磁铁图案的表面决定了细胞图案的相反构型。本文展示了条纹和点阵等几种基本图案。用户可自由选择不同形状的磁铁组合来生成所需图案,而这类磁铁在市场上广泛可得。为获得理想效果,建议选用能提供足够磁力的磁铁。在本研究中,我们采用了N52级钕铁硼磁铁,其剩磁超过1430 mT,磁极表面磁感应强度超过100 mT。对于钆基对比剂,我们选用Gd-DTPA,因其在生理条件下稳定,且在大多数国家和地区价格低廉、易于获取。也可选用其他类型的钆基对比剂作为替代。大环状非离子型钆基对比剂(如钆布醇和钆特醇)在对脆弱细胞进行长期处理的图案化过程中,因细胞毒性较低,可能是更优的选择11,12。
基于磁性支架(Mag-Arch)的细胞图案化技术的主要局限在于磁体产生的磁场作用范围。根据平方反比定律,磁场强度随距离增加而急剧衰减8。因此,该方法难以在普通聚苯乙烯细胞培养皿或培养板上形成理想的细胞图案,因为这些器皿底部厚度通常超过1 mm。因此,该实验方案必须使用更薄的细胞培养表面,例如玻璃盖玻片或共聚焦专用细胞培养皿。在微流控芯片内进行图案化时,也要求微流控装置的底部基片厚度小于0.5 mm。在构建共培养系统时,该方法可能较为耗时,每增加一种细胞类型,细胞贴壁过程将额外需要3–6小时。
总体而言,本方案为细胞图案化提供了一种简化的途径,大多数实验室无需任何特殊设备即可重复实现。研究人员可将其作为一种有力工具,用于研究细胞行为、模拟多细胞微环境或检测生物材料对细胞的亲和性8。
作者无竞争性财务利益。
本研究由国家重点研发计划&中国国家重点研发计划(2021YFA1101100)、国家自然科学基金(32000971)、中央高校基本科研业务费专项资金(编号:2021FZZX001-42)以及浙江大学上海高等研究院星夜科学基金(项目编号:SN-ZJU-SIAS-004)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| A2780 卵巢癌细胞 | Procell | CL-0013 | |
| 细胞培养基(DMEM,高糖) | Gibco | 11995040 | |
| 盖玻片 | Citotest Scientific | 80340-3610 | 用于微流控芯片制备。尺寸:24 mm × 50 mm |
| DiD | MedChemExpress (MCE) | HY-D1028 | 用于细胞红色荧光标记(激发波长:640 nm) |
| DiI | MedChemExpress (MCE) | HY-D0083 | 用于细胞橙色荧光标记(激发波长:550 nm) |
| 胎牛血清(FBS) | Biochannel | BC-SE-FBS07 | |
| 钆喷酸葡胺(Gd-DTPA) | 北京北陆药业 | H10860002 | |
| 明胶 | Sigma Aldrich | V900863 | |
| 玻璃细胞培养载片 | Citotest Scientific | 80346-2510 | 直径:25 mm;厚度:0.19–0.22 mm |
| 玻璃板 | PURESHI 硬件商店 | 用于微流控芯片制备。尺寸:40 mm × 75 mm | |
| 人脐静脉内皮细胞(HUVECs) | Servicebio | STCC12103G-1 | |
| 钕铁硼磁铁(N52) | Lalaci | ||
| 无毒玻璃板涂层(Gel Slick 溶液) | Lonza | 1049286 | 微流控芯片制备时便于脱模 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Servicebio | G4200 | |
| 等离子清洗仪 | SANHOPTT | PT-2S | |
| 聚二甲基硅氧烷(PDMS)试剂盒 | DOWSIL | SYLGARD 184 硅橡胶弹性体试剂盒 | 用于微流控芯片制备 |
| 聚四氟乙烯(PFTE)模具 | PURESHI 硬件商店 | 在线定制,用于微流控芯片制备 | |
| 硅片 | PURESHI 硬件商店 | ||
| 平滑肌细胞(SMC) | Procell | CL-0517 | |
| 超声波清洗仪 | Sapeen | CSA-02 |
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