应用于活细胞成像的一次性细胞培养芯片

摘要：尽管最近几年我们对细胞内过程的了解越来越多，但近100年来细胞培养的基本过程没有根本性的改变。然而，观察细胞的方法，却在近些年进行了一场革命，如相差、差分干涉对照（DIC）、共聚焦和荧光等都应用于所有细胞操作的各种常规研究中。相应的，对高端光学细胞培养系统的要求也越来越高。

A Disposable Cell Culture Chip for Live Cell Imaging

Ulf R dler

Abstract: Even though our understanding of intracellular processes has increased significantly in recent years, the basic procedures for cell culture have not changed fundamentally for nearly 100 years. However, methods of investigation cells, particularly microscopical methods, including phase contrast, differential interference contrast (DIC), confocal, and fluorescence, have undergone nothing short of a revolution in recent years and are now applied in every kind of routine investigation involving cells. Accordingly, the demand for high-end optical cell culturing systems has increased dramatically.

        在过去的几十年里，我们对细胞内生理过程的了解越来越多。然而，在一个多世纪中，细胞培养的基本过程一直沿用，还没有从根本上改变。比起细胞培养，细胞的光学检测方法却一直在提高，使得生物学研究达到了一个新的前沿。相差显微镜、差分干涉对照（DIC）、共聚焦显微镜、二光子显微镜和激光微解剖等为新生物技术打开了新的大门。荧光技术引起了生物成像的革命，并发展成为研究活细胞内分子过程的定量工具。这些技术在诸如医学诊断、分子研究、高通量扫描等许多常规研究中都有应用。因此，对高端光学细胞培养系统的需求越来越迫切。

        这里给出了一种应用于光学显微镜（Integrated BioDiagnostics [ibidi] GmbH, Munich, Germany ）的一次性细胞培养芯片μ- Slide，该芯片简单易用。它有一个塑料底座，上面有通道和一个透光性好的薄底片（图1）。细胞可以置于通道中，在培养基中生存。这种芯片的优点是结合了细胞培养皿和光学观察室，代替了高分辨显微镜所需要的玻璃载玻片/盖玻片系统。

1 细胞培养

        芯片μ-Slide满足了细胞培养的需要。它用塑料制成，化学稳定性好，可以透过气体，与玻璃兼容。芯片置于消过毒的容器中，可以很方便地用细胞悬浮液充满。将芯片放置在孵化器中时，通道内外可以进行气体交换，细胞可以在通道中长时间生长。100μL的通道体积可以存留适量的细胞和培养基。并且因为该芯片为一次性使用，所以避免了冲洗和高压灭菌的过程。

2 生物学成像

        经典显微镜法存在的一个问题是如何将细胞转移到玻片上进行光学分析，因为玻片易碎，难以操作。细胞培养芯片μ-Slide 解决了这个问题，它利用一个透光性好的塑料薄膜，使得我们借助高分辨显微镜能够看到细胞培养室内。因此，许多细胞技术如免疫荧光、原位杂交荧光、Ca2＋成像、基因转染等可以在一个简单的过程内完成。图2a 是3T3 细胞的线粒体染色图；图2b是同一个细胞的DNA 和RNA 染色图。DNA 和RNA 染料（MitoFluor 589 和SYTO 16，Molecular Probes，Eugene，OR）所用浓度为200 nM。细胞孵化15 min，然后用磷酸盐缓冲液（PBS）冲洗芯片。

3 流通系统

        应用芯片这个平台，可以设计需要多个流体驱动的光学研究装置。通过两个液槽，可以很容易地将通道充满，或者将通道和泵连接（图3）。这种装置可以应用于只能获得少量细胞的时候，如主细胞株和干细胞分析。

4 人工毛细管

        可以优化芯片的几何形状以便应用于其他方面，如血管系统的模拟（图4）。通道表面能够完全用内皮细胞包裹上。人工毛细管提供了一个研究血液成分和上皮细胞脉管壁之间的相互作用的模型。在利用ibidi GmbH 的研究中，人脐静脉血管内皮细胞（HUVECs）在静态灌注的通道中培养，对通道表面处理使之功能化。HUVECs 细胞的形态学和生长速度利用相差显微技术表征。实验证明，在灌注通道时产生的剪切力的影响下，不同功能化表面的通道中HUVECs 的稳定性各不相同。我们对许多生物聚合物表面涂层进行了测试，结果表明，与对表面进行物理处理相比较，稳定性较低。

5 自动化显微镜

        在生物技术应用中， 分子生物芯片和分子鉴定得到了广泛的发展。可以盛放活细胞作为检测器或者培养皿的集成生物芯片现在正在应用（图5）。微流控系统将会用来在特定微环境下生长不同的细胞，细胞之间的信号传递通过微流控通道来控制。活细胞表达蛋白质的原位分析对药物的研究十分重要。对所有的细胞系统研究来说，光学控制是必不可少的，因此，适合于小型化和自动分析的透明塑料微室肯定会得到发展。