細(xì)胞譜系追蹤是生物學(xué)研究中一個(gè)長期未解決的問題。微流控技術(shù)具有解決這一問題的潛力，因?yàn)槠淠軌蛞砸环N快速、可控和高效的方式操縱和處理單細(xì)胞。事實(shí)上，當(dāng)與傳統(tǒng)的成像方法相結(jié)合時(shí)，微流控系統(tǒng)可使實(shí)驗(yàn)人員對單細(xì)胞分裂進(jìn)行長時(shí)間追蹤。

基于此，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zürich）的研究人員設(shè)計(jì)、制造并開發(fā)了用于追蹤非貼壁單細(xì)胞譜系的自動化圖像引導(dǎo)的微流控平臺。該平臺的基本特征包括：（i）具有用于單細(xì)胞捕獲的集成微流控室；（ii）具備長時(shí)間監(jiān)測細(xì)胞生長的能力；（iii）具有分離分裂后的姐妹細(xì)胞的能力；（iv）可以快速再分配姐妹細(xì)胞以監(jiān)測第二次和第三次分裂事件；（v）能夠提取細(xì)胞，并使用大規(guī)模平行RNA單細(xì)胞測序（MARS-seq）、唯一分子標(biāo)識符（UMIs）和基于微孔板的單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）流程進(jìn)行下游轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。相關(guān)研究成果近期以“An image-guided microfluidic system for single-cell lineage tracking”為題發(fā)表在PLOS ONE期刊上。

圖1 微流控單細(xì)胞處理平臺及實(shí)驗(yàn)流程

該研究所開發(fā)的微流控裝置由控制層和流體層組成，每一層均由通道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。微流控裝置內(nèi)的流體流動采用基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的氣動微閥控制。根據(jù)控制層和流體層的相對位置，這種微閥可以設(shè)計(jì)為“上推式”或“下推式”。“上推式”微閥更適用于涉及在更深的流體通道內(nèi)操縱真核細(xì)胞的應(yīng)用，因?yàn)榕c“下推式”微閥相比，其能夠減少流體的泄漏。而當(dāng)微流控裝置需要PDMS之外的不同材料作為襯底材料時(shí)（例如在載玻片上形成分子圖案），“下推式”微閥更適合。在該研究所設(shè)計(jì)的微流控裝置中，研究人員使用了一個(gè)“上推式”微閥結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵撐⒘骺匮b置專門用于培養(yǎng)和操縱真核細(xì)胞。

此外，該雙層微流控裝置集成了8個(gè)腔室，用于兩代姐妹干細(xì)胞的長期監(jiān)測（> 24小時(shí)）和追蹤，詳見圖1。首先，通過啟動控制微閥1，可以阻止流體進(jìn)入捕獲區(qū)域，從而將單細(xì)胞捕獲在增殖室中。同時(shí)，通過打開每個(gè)腔室兩側(cè)的旁路流道和控制微閥2，可以將新鮮細(xì)胞培養(yǎng)基輸送給被捕獲的細(xì)胞。

此外，姐妹細(xì)胞的分離、將分離后的姐妹細(xì)胞重定位到新的捕獲室以及單細(xì)胞的提取也在該微流控裝置中進(jìn)行。具體而言，在分裂之后，姐妹細(xì)胞被操縱到一個(gè)包含兩個(gè)控制微閥的分離區(qū)。其中一個(gè)控制微閥的驅(qū)動確保其中一個(gè)細(xì)胞可以被驅(qū)動到提取區(qū)域，而另一個(gè)細(xì)胞將保持被捕獲，從而成功將姐妹細(xì)胞分離。分裂后分離的姐妹細(xì)胞在控制微閥的驅(qū)動下通過反饋通道流動，隨后被重定位在單獨(dú)的捕獲室中。此外，該微流控裝置的提取區(qū)域包括兩個(gè)可獨(dú)立尋址、直徑為1 mm，并且深度為3 mm的開孔，用于收集姐妹細(xì)胞。

圖2 單細(xì)胞增殖和姐妹細(xì)胞重定位

圖3 姐妹細(xì)胞提取

為了驗(yàn)證微流控工作流程的有效性，研究人員利用該微流控裝置對雞紅細(xì)胞白血病細(xì)胞系（6C2）和雞紅細(xì)胞原代祖細(xì)胞（T2EC）進(jìn)行了兩代以上的追蹤，結(jié)果表明，兩種細(xì)胞的存活率均超過90%。此外，姐妹細(xì)胞在分裂后成功分離，并且可以在500 nL的提取室中被成功提取，該提取室與下游單細(xì)胞RNA測序分析兼容。

圖4 單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）數(shù)據(jù)可視化

綜上所述，在該項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)了一種多層微流控裝置和相關(guān)實(shí)驗(yàn)流程，用于在單細(xì)胞水平上追蹤非貼壁細(xì)胞分裂。該微流控平臺能夠在8個(gè)獨(dú)立控制的增殖室中同時(shí)捕獲單細(xì)胞，分離分裂后的姐妹細(xì)胞并將其提取用于下游分析。研究結(jié)果證明，該微流控平臺能夠使用兩種不同的細(xì)胞模型（即細(xì)胞系和原代細(xì)胞）追蹤至少兩代細(xì)胞。概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證實(shí)雞紅細(xì)胞白血病細(xì)胞系和雞原代紅細(xì)胞祖細(xì)胞可以在微流控芯片內(nèi)增殖，并且其存活率高于90%。分離后的細(xì)胞被置于500 nl體積的提取室中，該提取室與下游單細(xì)胞RNA測序分析兼容。該研究開發(fā)的通用方法可以重現(xiàn)選定的單細(xì)胞和提取細(xì)胞的系譜信息，同時(shí)能夠提供與常規(guī)的流式細(xì)胞熒光分選技術(shù)（FACS）所提供的質(zhì)量相媲美的數(shù)據(jù)，以用于后續(xù)單細(xì)胞RNA測序分析。

總體而言，該研究開發(fā)的微流控平臺為單細(xì)胞分辨率的單細(xì)胞譜系追蹤研究提供了一個(gè)強(qiáng)大的自動化平臺，可以用于追蹤包括細(xì)胞系和原代細(xì)胞在內(nèi)的非貼壁細(xì)胞。在未來，該微流控裝置有望用于包括誘導(dǎo)分化和使用藥物調(diào)節(jié)基因表達(dá)在內(nèi)的微擾實(shí)驗(yàn)。此外，通過增加每個(gè)裝置的平行增殖室數(shù)量、提高單細(xì)胞捕獲的自動化水平以及實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分裂和重定位的自動檢測，可以顯著提高該微流控裝置的分析通量。

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