利用生物翻转芯片对胚胎干细胞进行图案化
2007年10月1日
我们展示了一种将细胞放置在基底特定位置的简单方法。该方法通过将含有填充细胞的微孔的硅胶芯片翻转至基底上来实现细胞图案化。该方法为调控细胞间的可扩散信号和邻近细胞信号提供了一种新途径。
我是尼科尔·米塔尔（nickel Mital）。我是鲍曼实验室的一名研究生。今天我将介绍由我们实验室两位前学生开发的一种装置，称为生物翻转芯片（bio flip chip）。
该装置能够将细胞递送至实验者所选择的基底上，并且可按照实验者设定的构型进行排列。该装置本身非常简单，我们这里就有一个，它基本上由一块硅胶材料上的微小孔穴构成。
每个孔通常设计为仅容纳单个细胞，但如有需要，我们当然也可以将其做得更大。该装置的制备使得孔的排列方式与细胞最终在基底上的分布位置一致。该装置本身采用软光刻技术制作而成。
具体而言，我们使用聚二甲基硅氧烷（PDMS），并用硅晶圆作为模具进行成型。我们这里就有一个这样的模具。该模具晶圆本身是通过标准的光刻技术制作而成，将SU-8光刻胶旋涂到硅晶圆上，然后进行图案化。
总之，通过将细胞加入生物翻转芯片的孔中，即可将细胞转移至所选的基底上。随后，将该芯片贴附到目标基底（通常是聚苯乙烯组织培养板）上。最后，将整个组合翻转过来，使细胞从孔中脱落并沉积到基底表面。
我是Stephanie Flavin。我是Goldman实验室的一名本科研究员，今天我将演示如何在进行图案化实验的前一天使用生物翻转芯片对细胞进行图案化处理。
我们将把PDMS通过等离子体键合到一块一英寸见方的玻璃载片上。然后将芯片正面朝下浸泡在PBS溶液中过夜。我们还将裁剪用于图案化实验的垫圈，并准备将要用到的文件夹夹子。
向每个芯片表面加入 200 微升 BSA。轻轻晃动移液枪头以去除气泡，并使 BSA 溶液充分填充孔洞。将芯片置于通风橱内，在紫外光照射下孵育一小时，常规处理即可。
孵育一小时后，吸除芯片上的 BSA 溶液，用 200 µL PBS 洗涤每个芯片，并加入 200 µL 传代细胞悬液，细胞密度为 10⁶ 个细胞/毫升。等待 5 至 10 分钟使细胞沉降至微孔中后，用 PBS 冲洗芯片表面。将芯片倾斜至一角，角度约为 15 度，从芯片的底部角落缓慢吸去细胞悬液。
将芯片恢复至水平位置，缓慢向顶部角落加入 50 µL PBS。根据需要重复洗涤步骤。当芯片表面的 xls 被完全洗去后，向培养皿内层垫圈中加入约 50 µL 培养基。
向每个芯片顶部加入培养基。接着，将培养皿倒置，从一个角落开始倾斜并缓缓放低至芯片表面，然后将培养皿完全压平在芯片上，以避免培养皿与芯片之间产生气泡。
在芯片两侧添加长尾夹以固定其位置。移除每个长尾夹的手柄，以便翻转芯片后能平稳地放置在培养皿上。将芯片转移至培养箱并迅速翻转，避免任何不必要的移动。
查看完整文字稿并访问数千部科学视频
概述
本研究介绍了一种利用名为生物翻转芯片（bio flip chip）的装置在基底上定位细胞的新方法。通过将带有充满细胞的微孔的硅胶芯片翻转并贴合到基底上，研究人员能够有效控制细胞的位置，从而增强对细胞间信号传导的调控。
关键研究组成部分
科学领域
- 细胞生物学
- 神经科学
- 生物工程学
背景
- 细胞定位对于研究细胞间相互作用至关重要。
- 现有方法在细胞放置精度上可能存在不足。
- 生物翻转芯片提供了一种简单而有效的解决方案。
- 该技术可同时影响可扩散信号和邻近细胞间的信号传导。
研究目的
- 建立一种在基底上可靠放置细胞的方法。
- 加深对细胞信号传导机制的理解。
- 为各个生物学领域的研究人员提供一种研究工具。
使用的方法
- 生物翻转芯片的设计与制备。
- 将细胞填充至微孔中。
- 将芯片翻转并贴合到目标基底上。
- 观察与分析细胞定位及信号传导。
主要结果
- 成功将细胞定位至目标位置。
- 增强对细胞信号传导的调控能力。
- 展示该装置操作简便的特点。
- 在多种实验设置中具有潜在应用价值。
结论
- 生物翻转芯片是一种用于细胞定位的创新工具。
- 该方法可显著影响细胞信号传导研究。
- 未来的研究可在此技术基础上拓展更广泛的应用。
常见问题
行业重要性概述
对细胞群体进行精确的空间控制，能够机制性地研究在干细胞疾病模型中靶点验证所必需的可扩散信号通路和邻近细胞信号通路。Bio Flip Chip 提供了一种与基底无关且保持化学完整性的方法，用于构建定义明确的细胞微环境，支持表型筛选中可重复的检测方法开发。该方法通过减少细胞间接触和旁分泌因子暴露的变异性，提高了早期发现阶段的预测可信度，从而增强了从体外模型到临床前验证之间的转化连续性。
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：能够验证局部细胞密度和空间排列如何影响干细胞分化与自我更新通路的假设。
- 操作价值：消除随机接种带来的随机变异性，确保各重复实验间旁分泌和接触依赖性信号输入的一致性。
- 预测价值：通过分离接触依赖性信号与可溶性信号在靶点结合研究中的作用，支持机制层面的风险评估。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：可生成可定量、空间位置明确的细胞阵列，适用于高内涵成像和多重检测读出。
- 操作价值：可在组织培养用聚苯乙烯、玻璃、Matrigel 和饲养层等不同基质上实现细胞间相互作用实验的标准化，且无需改变基底化学性质。
- 可扩展性：可与微接触印刷技术兼容，用于构建细胞外基质图案，从而实现对黏附和信号刺激的组合式调控。
转化与临床前研究
- 转化连续性：在定义的微环境中对胚胎干细胞进行图案化，以模拟与先天性障碍和再生医学相关的发育信号通路。
- 临床前建模：在空间可控的微环境中促进形态发生素或治疗剂的剂量-反应分析，提高生理相关性。
- 风险调整型推进：通过减少不受控细胞聚集或可变接触频率带来的噪声，降低先导化合物筛选中的假阳性率。
流程与工作流整合
生物翻转芯片通过在化合物处理前实现干细胞的可重复图案化，融入早期发现工作流程，支持先导化合物优化中的假设驱动筛选和机制性后续研究。
- 发现生物学：研究胚胎干细胞的特定空间排列如何调控谱系特化及信号通路活性。
- 筛选：提供标准化、可重复的细胞基质，用于评估化合物对接触依赖性和可扩散信号传导的影响。
- 分析：在图案化共培养体系中，实现对标志物表达、增殖和凋亡等变量的定量空间定位分析。
- 转化研究：在空间可控系统中模拟人类发育相关的信号级联，为临床前靶点筛选提供依据。
- 企业级复用：作为一个模块化图案化平台，可适应多种细胞类型、基质及细胞外基质构型，适用于不同项目间的灵活应用。
运营与企业影响
- 科学价值：通过减少不受控的细胞间相互作用带来的生物学噪声，提高靶点验证的可信度。
- 操作价值：通过独立于接种技术变异性的精确、用户自定义细胞定位，确保实验的可重复性。
- 战略价值：通过增强表型筛选中细胞间通讯相关信号与噪声的比值，提高“推进/终止”决策的效率。
- 组合影响：支持在干细胞介导的疾病领域中，对旁分泌通路（例如 Notch、Wnt）调节剂进行基于风险调整的优先排序。
实施注意事项
- 芯片的制备或获取需要具备软光刻和PDMS操作的专业知识。
- 依赖于等离子体键合设备以及紫外/臭氧处理设备，用于基底的预处理。
- 需要标准化的细胞制备和洗涤流程，以确保微孔中细胞加载和释放的效率。
- 若应用于3D基质或微流控系统，可能需要优化翻转时机和表面能。
- 实际限制：每种细胞类型和大小的微孔占用率必须通过实验确定，以避免在设计为单细胞的微孔中出现多细胞加载。
