分離和調(diào)節(jié)單細(xì)胞生物動(dòng)力學(xué)的潛力在藥物設(shè)計(jì)和篩選中具有重要意義。然而，單細(xì)胞藥物篩選中預(yù)先存在的實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須提供多劑量梯度研究，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)藥物 - 單細(xì)胞相互作用和性能。在《微系統(tǒng)和納米工程》的一份新報(bào)告中，沈少飛和中國(guó)生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)多濃度梯度發(fā)生器解決了這個(gè)問(wèn)題。
他們將梯度發(fā)生器與單細(xì)胞捕獲陣列相結(jié)合，以了解單劑量或聯(lián)合劑量的5-氟尿嘧啶和順鉑抗癌藥物對(duì)人肝癌細(xì)胞和人乳腺癌細(xì)胞的影響。該儀器提供了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的平臺(tái)，可以在單細(xì)胞水平上研究不同候選藥物的正確劑量，以篩選單藥化療藥物并有效地形成組合治療方案。
開發(fā)新的藥物篩選平臺(tái)
藥物篩選方法為預(yù)防感染和治療人類疾病提供了可見的解決方案。廣泛的研究工作表明，微流控芯片技術(shù)提供了一個(gè)易于訪問(wèn)和生物相容性的微量分析平臺(tái)。大多數(shù)微流體系統(tǒng)提供了一種強(qiáng)大的儀器來(lái)研究單細(xì)胞水平的細(xì)胞群，同時(shí)促進(jìn)不同藥物濃度下的劑量依賴性細(xì)胞反應(yīng)。在這項(xiàng)工作中，Shen及其同事優(yōu)化了多級(jí)微流控裝置與單細(xì)胞捕獲陣列相結(jié)合，以生成跨多個(gè)藥物劑量的單細(xì)胞微流體藥物篩選平臺(tái)。‘
在這項(xiàng)工作中，研究人員計(jì)算了理論上產(chǎn)生的濃度梯度，并在熒光實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。他們使用順鉑和5-氟尿嘧啶;兩種化療藥物作為單細(xì)胞水平上對(duì)人乳腺癌細(xì)胞和人肝癌細(xì)胞進(jìn)行單藥或多藥聯(lián)合化療的模型藥物。該系統(tǒng)為研究藥理功能和進(jìn)行單細(xì)胞研究提供了一種靈活且監(jiān)管良好的儀器。
設(shè)計(jì)微流控平臺(tái)
Shen和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了包含24個(gè)單細(xì)胞捕獲裝置的微流體平臺(tái)。他們?cè)谠O(shè)備中生成了一系列成功的藥物濃度梯度，其中濃度梯度生成器可以聯(lián)合篩選兩種藥物，使他們能夠研究單一藥物和多種藥物組合以及最佳劑量。
生物工程師促進(jìn)了單細(xì)胞捕獲裝置包含帶有細(xì)胞和試劑門戶的二維陣列，用于細(xì)胞懸液和試劑導(dǎo)入，如同一團(tuán)隊(duì)之前的一項(xiàng)研究所述。
三濃度梯度形成
研究人員測(cè)試了該設(shè)備通過(guò)數(shù)值模擬和熒光素實(shí)驗(yàn)建立三個(gè)濃度梯度的能力，以探索24個(gè)微腔中的藥物分布。使用倒置顯微鏡，他們收集熒光圖像并使用成像軟件來(lái)了解為每個(gè)腔室收集的數(shù)據(jù)。
模擬顯示了在設(shè)計(jì)裝置中形成三組相同藥物濃度及其百分比。在模擬的同時(shí)，他們還進(jìn)行了熒光素實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證24個(gè)液體儲(chǔ)存室中的濃度梯度分布。他們從入口向芯片注入兩種熒光劑，并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何與數(shù)值模擬結(jié)果一致。
太極螺旋混合器誘導(dǎo)的微流體中的迪恩流
該團(tuán)隊(duì)在濃度梯度發(fā)生器中使用了太極螺旋混合器，并將Dean流納入彎曲通道中，用于流體調(diào)節(jié)的微流體應(yīng)用，作為一種革命性的方法，可以高效且經(jīng)濟(jì)地混合，純化和專注于反應(yīng)。
他們通過(guò)形成三個(gè)濃度梯度，獲得了穩(wěn)定有效的單細(xì)胞藥物篩選多藥濃度梯度，構(gòu)建了單細(xì)胞水平藥物篩選的多濃度平臺(tái)，觀察抗癌藥物順鉑和5-氟尿嘧啶的組合和單獨(dú)效果。
單細(xì)胞藥物相互作用的藥物篩選
生物工程師應(yīng)用了一種含有兩種細(xì)胞類型不同濃度的培養(yǎng)基的藥物;人乳腺細(xì)胞癌細(xì)胞和人肝癌細(xì)胞在單細(xì)胞捕獲微流體裝置和傳統(tǒng)培養(yǎng)皿中。使用雙熒光染色方法;吖啶橙和碘化丙啶，他們驗(yàn)證了細(xì)胞活力，并觀察了暴露于不同藥物濃度時(shí)細(xì)胞活性的變化，以顯示腫瘤細(xì)胞的存活率如何隨著培養(yǎng)裝置中藥物濃度的降低而提高。
雖然細(xì)胞活力與健康細(xì)胞中的藥物劑量呈負(fù)相關(guān)，但腫瘤細(xì)胞在單細(xì)胞水平上不受細(xì)胞相互作用的影響，以有效研究其對(duì)藥物的敏感性。
研究小組在平臺(tái)上的細(xì)胞上結(jié)合了兩種藥物，并注意到與單獨(dú)使用單一療法相比，兩種藥物的協(xié)同作用更強(qiáng)。這種現(xiàn)象也存在于微流體單細(xì)胞捕獲裝置中，以提供有效的單一療法和聯(lián)合療法策略。例如，暴露于5-氟尿嘧啶的細(xì)胞經(jīng)歷了劑量致死以抑制DNA合成和細(xì)胞有絲分裂，突出了藥物篩選在探索不同藥物梯度中的腫瘤細(xì)胞異質(zhì)性的重要性。這項(xiàng)工作對(duì)更廣泛的生物學(xué)和臨床前探索具有重大影響，包括癌癥干細(xì)胞分離和藥物發(fā)現(xiàn)。
展望
通過(guò)這種方式，沈少飛及其同事產(chǎn)生了一種簡(jiǎn)單高效的多功能微流控藥物篩選裝置，用于單細(xì)胞水平的功能。該裝置包含一個(gè)濃度梯度藥物發(fā)生器和適用于多種用途的單細(xì)胞捕獲陣列。
他們將平臺(tái)上的單細(xì)胞捕獲裝置結(jié)合起來(lái)，在兩種不同的癌細(xì)胞系上實(shí)施不同劑量的兩種抗癌藥物。這項(xiàng)工作為在單細(xì)胞和干細(xì)胞水平上研究多種抗癌藥物的敏感性提供了一個(gè)強(qiáng)有力的起點(diǎn)，以實(shí)施有效的化療策略。
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