细胞生物学中的微尺度工程
2007年10月1日
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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概述
Joel Goldman 是麻省理工学院的副教授，致力于将微尺度工程应用于细胞生物学。他的研究主要涉及细胞流式分析以及用于细胞分选的微尺度平台的开发。
关键研究组成部分
科学领域
- 细胞生物学
- 微尺度工程
- 细胞流式分析
背景
- 细胞分选技术的研究。
- 工程学原理在生物学领域的应用。
- 创新性微尺度平台的开发。
- 结合工程学与生物学的跨学科方法。
研究目的
- 改进细胞分选方法。
- 为生物应用构建高效的微尺度平台。
- 通过工程学手段增进对细胞行为的理解。
使用的方法
- 微尺度工程技术。
- 细胞分选方法。
- 生物学应用的实验设计。
- 工程学与生物学研究的整合。
主要结果
- 新型微尺度平台的开发。
- 细胞分选技术的改进。
- 通过工程化方案深入理解细胞行为。
- 工程学在细胞生物学中的成功应用。
结论
- 微尺度工程显著推动了细胞生物学研究。
- 创新平台可促进细胞分选技术的突破。
- 跨学科方法对于推进科学知识至关重要。
常见问题
行业重要性概述
微尺度工程能够精确控制细胞微环境，有助于在干细胞生物学中进行机制性风险降低，并为再生疗法提供靶点验证支持。通过构建明确的细胞构型和信号条件，研究人员可以探究自我更新与分化的基本机制，从而提高临床前模型的预测可靠性。该方法通过减少治疗开发中关键的细胞命运决定的不确定性，将基础生物学发现与转化应用紧密联系起来。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过在生理相关尺度上控制细胞相互作用、基质成分以及可溶性因子的暴露，能够验证治疗假设。
- 操作价值：通过定义明确的共培养阵列和在干细胞系统中进行刺激-响应测试，支持功能靶点的验证。
- 预测价值：通过阐明在受控微环境条件下调控干细胞命运决定的机制，提高先导化合物筛选的可信度。
筛选与检测方法开发
- 检测准备就绪性： 微尺度平台（如生物翻转芯片）有助于制备标准化的细胞阵列，用于可重复的化合物或刺激筛选。
- 定量输出： 可对铺板效率、克隆形成及分化标志物等因变量在筛选工作流程中进行量化检测。
- 可扩展性与重复使用： 支持在不同模型系统（如小鼠与人类干细胞）间进行适应性调整，以评估早期发现阶段的物种特异性反应。
转化与临床前研究
- 转化连续性：可研究干细胞行为的物种特异性差异，为转化生物标志物的匹配和临床前模型的选择提供依据。
- 机制层面的风险降低：能够对微环境组分进行时间依赖性调控，以模拟发育信号，从而降低组织形态发生预测中的不确定性。
- 基于风险评估的推进：提供与干细胞衍生疗法生产制造相关的放大因子数据。
流程与工作流整合
该技术通过实现对细胞行为的假设驱动型研究、支持检测方法的标准化，并通过微环境控制为转化决策提供依据，从而整合了从早期发现到临床前研究的各个环节。
- 发现生物学：通过分离干细胞与微环境相互作用中的变量，促进通路解析和生物学风险降低。
- 筛选：通过标准化的细胞图案化和基于灌注的培养，实现检测就绪，确保刺激暴露的一致性。
- 分析：对细胞反应（例如自我更新与分化）提供定量读出，支持不同条件间的比较分析。
- 转化研究：通过模拟与人类相关的微环境条件并鉴定保守的调控机制，将基础发现与临床前研究相连接。
- 企业级复用：作为一个模块化平台，可适应多种细胞类型和不同发现项目中的实验设计。
运营与企业影响
- 科学价值：通过精确控制细胞微环境的时空特性，减少干细胞生物学中的机制模糊性。
- 操作价值：利用明确的几何和流体约束，提高干细胞检测的可重复性和标准化水平。
- 战略价值：通过增强对靶点机制有效性的信心并降低后期生物学失败风险，改善决策过程中的立项或终止判断。
- 项目组合影响：通过改进对分化结果的预测建模，实现对干细胞候选项目的基于风险调整的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备微尺度加工、微流控技术和干细胞培养技术方面的专业知识。
- 依赖于软光刻、聚二甲基硅氧烷（PDMS） molding 以及荧光显微镜基础设施的可用性。
- 在不同团队之间进行细胞接种、灌注控制和环境监测时，需要建立标准化操作流程。
- 由于小鼠与人类干细胞系统在微环境需求上存在差异，在将平台从小鼠体系转化为人类干细胞体系时需考虑适应性调整。
- 在将单细胞操作技术应用于大规模筛选研究时，受限于通量方面的制约。
