用于腫瘤細胞三維培養的微流控芯片構建及培養條件研究

徐為峰，王　帥,2,3，孟憲生,2,3，包永睿,2,3

(1.遼寧中醫藥大學藥學院，遼寧 大連　116600；2.遼寧省組分中藥工程技術研究中心，遼寧 沈陽　110032；3.遼寧省現代中藥研究工程實驗室，遼寧 大連　116600)

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用于腫瘤細胞三維培養的微流控芯片構建及培養條件研究

徐為峰1，王帥1,2,3，孟憲生1,2,3，包永睿1,2,3

(1.遼寧中醫藥大學藥學院，遼寧 大連116600；2.遼寧省組分中藥工程技術研究中心，遼寧 沈陽110032；3.遼寧省現代中藥研究工程實驗室，遼寧 大連116600)

摘要:目的設計制作用于腫瘤細胞三維培養的微流控芯片，以海藻酸鈣凝膠為細胞支架，基于芯片研究適合的凝膠形成、溶解條件，利用該條件長期培養SMMC-7721細胞并檢測其活力。方法利用CDR軟件、軟光刻技術、模塑法、等離子鍵合法等設計并制作出微流控芯片并驗證其適用性；在芯片中三維培養肝腫瘤細胞SMMC-7721，觀察細胞形態，以IPP軟件輔助計算細胞在72h的存活率。結果設計制作的微流控芯片適合于腫瘤細胞三維培養；芯片中培養的肝癌細胞72 h內生長狀態良好，存活率達(96.1±4.5)%，細胞堆積排列緊密，出現腫瘤細胞聚集體(tumor cell spheroid, TCS)。結論該文設計構建用于腫瘤細胞三維培養的微流控芯片，并用于肝癌細胞SMMC-7721培養，細胞生長狀態良好，且細胞生長與聚集狀態表現出一定特殊性。利用該芯片進行腫瘤細胞三維培養，可以為腫瘤細胞生長狀態研究及抗腫瘤藥物篩選提供更有利的方式。

關鍵詞:微流控芯片；腫瘤細胞；腫瘤微環境；細胞三維培養；海藻酸鈣凝膠；培養條件

微流控技術是興起于近幾十年的一項新技術，其應用于藥理學研究最大的特點是可以在與人體微環境相似的條件下進行實驗，且具有快速、靈敏、節約的優勢[1-2]。二維細胞培養是目前使用較為普遍的一種細胞培養手段,亦廣泛應用于體外腫瘤研究模型[3-5]。目前微流控芯片中的細胞實驗多數是將PDMS芯片與玻璃層鍵合，將細胞在玻璃上平面培養，該方法利用了芯片微尺度研究及高效、節約的優勢，但許多研究已經證明，平面培養狀態下的細胞無法全面反映細胞在人體內的生長狀態，Keiran等[6]研究發現，腫瘤細胞在二維與三維條件下RNA水平已出現數百個片段的差異。張旭朗等[7]通過構建體外微囊化腫瘤細胞三維模型研究發現，抗癌藥物對微囊化乳腺癌細胞球的抑制率降低。劉勁松[8]的實驗表明，三維培養的肝腫瘤細胞纖維蛋白骨架發生重排，結構與在體肝組織更接近。此外，三維培養下的細胞微環境、細胞間及細胞與基質間的相互作用能明顯影響分泌、黏附、侵襲和轉移等細胞功能[9]。因此，有必要將微流控技術與腫瘤細胞的三維培養結合，在更接近真實狀態下進行實驗研究。本實驗設計了一種可以實現細胞三維培養的芯片結構，以大分子生物多糖海藻酸鈉(C6H7NaO6)x和氯化鈣形成的無毒、透明、生物相容性好、持水能力強的海藻酸鈣凝膠為三維骨架[10-11]，對人肝癌細胞SMMC-7721進行長期培養。為基于微流控技術在細胞水平進行的腫瘤藥理學研究提供了新的模式。

1材料與方法

1.1細胞懸液的制備人肝癌SMMC-7721細胞，購于昆明細胞庫，以含小牛血清的RPMI 1640高糖培養基常規培養。當細胞在培養瓶中生長狀態良好，密度大于80%時，以胰蛋白酶消化，培養液吹打，制成細胞密度為5×108·L-1的懸液備用。

1.2主要儀器與試劑勻膠機(KW-4A型，昆山力電精密機械有限公司)；光刻機(北京中科同志科技有限公司，TG-2U型)；體視顯微鏡(SMZ-745 ,尼康公司)；倒置熒光顯微鏡(ECLIPSE-TI，尼康公司)；等離子鍵合機(PDC-32G-2;HARRICK PLASMA公司)； LSP04-1A 精密注射泵(保定蘭格公司)；酶標儀(SpectraMax384PLUS，美谷分子儀器公司)；圖像處理軟件Image-Pro Plus 6.0(IPP, 美國Media Cybernetics公司)。

海藻酸鈉(Sigma公司，批號:081M1093V)；氯化鈣(Sigma公司，批號：SLBC6574V)；檸檬酸鈉(沈陽市試劑一廠)；熒光素鈉(北京市化工廠，批號：101101，Mr：376.27)；小牛血清(杭州四季青生物工程材料有限公司)；RPMI 1640培養基，胰蛋白酶(Gibco公司)；SU-8光刻膠及顯影液(美國Micro-Chem公司，批號：33540H28)；Sylgard184 型聚二甲基硅氧烷(PDMS，美國DowCorning公司)。染色劑(LIVE/DIED? Viability/Cytotoxicity kit，美國Life-technology公司，批號1724759)

2微流控芯片的設計和制作

2.1芯片的結構設計該芯片由閥控層與細胞通道層組成，包含兩組相互獨立且相同的實驗單元，見Fig 1。細胞通道層(圖中藍色)包括3條相同的細胞通道，每條通道由3個1.3 mm×1.5 mm的橢圓形微培養腔組成，上下兩端為液體入口與出口；每條細胞通道兩側各有一條流體通道，流體通道通過若干個弧形微通道與微培養腔相連，其中，通過一側與一條細胞通道相連的流體通道寬度為250 μm，通過兩側與兩條細胞通道相連的流體通道寬度為500 μm，每條流體通道兩端分別有液體入口與液體出口。流體通道在與連接微通道相連處變窄以保證流體壓力均勻。每個細胞培養單元的閥控層(圖中紅色)位于微通道上方，為液壓閥，依靠通入液體的壓力導致薄膜形變壓緊下方的微通道，整個微閥聯動控制。

2.2芯片的制作芯片掩模打印于菲林片上。在高清潔度的硅片上旋涂SU-8光刻膠，高度約600 μm。按文獻[12-13]制得芯片。將PDMS與潔凈的玻璃片在等離子清洗機中以720 V, 25 mA, 18 W的參數處理3 min，取出貼合，以體積分數為0.75的乙醇和去離子水分別沖洗通道，烘干，即完成芯片的制作，見Fig 2。

2.3主要溶液的配制稱取海藻酸鈉(C6H7NaO6)x粉末，緩慢攪拌使海藻酸鈉充分溶解，配制成質量濃度為10 g·L-1的溶液。分別稱取不同質量的無水氯化鈣(CaCl2)與檸檬酸鈉(Na3C6H5O7·2 H2O)，以三蒸水為溶劑，分別配制成質量濃度為10 g·L-1的氯化鈣溶液和質量濃度為100 g·L-1的檸檬酸鈉溶液。經0.22 μm濾膜過濾除菌，4℃保存待用。

3芯片內成膠與溶膠效果考查

3.1芯片內成膠條件考查將含有質量分數為0.1 g·L-1熒光素鈉的海藻酸鈉溶液在“2.1”中的芯片微閥加壓關閉的狀態下，自各細胞注入口緩緩注入并充滿微培養腔內，隨后打開微閥，以玻璃堵頭封住細胞培養通道兩側流體通道的排液口，自對應的進樣口通入氯化鈣溶液，使Ca2+經微通道滲入微培養腔內，作用15 min，與海藻酸鈉發生交聯反應生成海藻酸鈣凝膠，于熒光顯微鏡下觀察熒光分布是否均勻。

換將不含熒光素鈉的不同濃度海藻酸鈉溶液同上操作至“兩側流體通道的排液口”后，自流體入口通入含有0.1 g·L-1熒光素鈉的氯化鈣溶液，以同上方式生成凝膠。隨后持續以培養液沖洗細胞腔兩側的微流體通道，除去多余的Ca2+，置倒置熒光顯微鏡下觀察并拍照，結合圖像分析軟件IPP，分析微培養腔中凝膠膠體所含熒光素鈉被培養液清洗的情況，判斷海藻酸鈣凝膠中的液體完成一次全更新的速度，即形成凝膠的通透性。通過微量注射泵，自兩側的液體入口向形成的海藻酸鈣凝膠中持續通入培養液，在37℃，5% CO2中放置3 d以上，每日觀察凝膠的性狀。

3.2芯片內溶膠效果考查在微閥加壓關閉的狀態下，自與細胞腔相連的進樣口向腔內持續以不同流速通入檸檬酸鈉溶液，作用10 min，于細胞腔出口處收集流出液，鏡下觀察在規定時間內海藻酸鈣凝膠完全溶解并自芯片內流出的效果。

3.3微流控三維細胞培養芯片中肝癌細胞生長狀態的考查將“1.1”中密度為5×108·L-1的細胞懸液與等體積的海藻酸鈉溶液均勻混合，使細胞密度為2.5×108·L-1。按照“3.1”中的條件及方法形成凝膠。由與培養腔相連的進液口向芯片細胞培養腔室中以0.1 mL·L-1的流速通入含體積分數為10% CS的RPMI 1640培養液長期培養。每日拍照觀察細胞生長狀態，比較增殖速度，記錄3 d。3 d后以細胞活性檢測試劑盒對細胞進行熒光染色，試劑盒由鈣黃綠素-AM和乙錠二聚體-1組成。將鈣黃綠素-AM 5 μL和乙錠二聚體-1 10 μL溶于PBS 1 mL中，混合均勻后自進液口通入到芯片中[14]，室溫避光染色30 min后，使用熒光顯微鏡進行觀察并拍照。細胞存活率按公式計算：細胞存活率/%=活細胞數/(活細胞數+死細胞數)×100%[15]。

4結果

4.1芯片適用性分析對芯片流體通道中流體的灌注以及液壓微閥對通道的壓緊效果進行了考察。結果顯示，液閥未加壓的時候，自流體通道注入的液體會均勻充滿整個通道；液閥壓緊流體通道與細胞通道間的微通道時，自流體通道入口注入的流體只經過流體通道而不進入細胞培養腔，而自細胞進樣口注入的液體在充滿微培養腔后由細胞通道的液體出口流出，不進入流體通道(Fig 3)。液閥靈敏度高，響應速度快，對流體通道壓緊作用明顯。

A: The micro-valve close the microchannel when pressure is given(40×);B: Liquids in the micro-chamber wouldn′t diffuse into the microchannel when pressure is given to the micro-valve(40×);C: Liquids in the micro-chamber diffuse into the microchannel when the pressure in micro-valve is removed(40×)

4.2芯片內成膠效果按篩選出的條件進行芯片內成膠實驗，發現在實驗條件下，利用該微流控芯片，10 g·L-1的海藻酸鈉溶液pH在7.2～7.5之間。自該芯片上的流體通道注入10 g·L-1的氯化鈣溶液，在規定流速下，Ca2+可均勻、緩慢滲入海藻酸鈉溶液內部并與其生成凝膠，凝膠均勻充滿腔體(Fig 4)，膠體含水量大，具有一定強度，具有較好通透性，在細胞培養條件下放置3 d保持穩定。

微培養腔內凝膠形成后，按照“3.1”所述，壓緊微閥，自細胞注入口向微通道內以0.1 μL·min-1的流速通入培養液作用不同時間，置倒置熒光顯微鏡下觀察膠體中熒光素鈉被培養液清洗的情況，利用IPP軟件分析熒光強度，結果顯示，通入培養液60 s后，微培養腔內的熒光強度降低為初始強度的2%以下(Fig 5)。

4.3芯片內溶膠效果按照“3.2”中所述，自細胞培養腔入口以不同流速通入質量濃度為100 g·L-1的檸檬酸鈉溶液10 min，結果發現，當流速過大時，檸檬酸鈉溶液無法及時溶解海藻酸鈣凝膠，造成芯片通道內壓力過大；當流速過小時，海藻酸鈣凝膠無法在10 min內被完全溶解。經篩選得到5 μL·min-1的流速下，10 min可將微培養腔內的凝膠完全溶解并全部自培養腔出口流出。

4.4芯片內肝癌細胞生長狀態按照“3.3”中的方法培養細胞并染色拍照，結果發現，隨著培養天數增加，培養腔內的細胞數量逐漸上升，以細胞活性檢測試劑盒染色后發現細胞活力良好，見Fig 6；細胞形態呈類球形，偶見長梭型，常見多個細胞密集堆疊而成的腫瘤細胞球樣聚集體，鏡下發現細胞在腔內分布高度位置不同，見Fig 7。通過 IPP 軟件輔助對細胞圖像進行計數分析，培養3 d后細胞存活率為(96.1±4.5)%。

A: 24 h; B: 72 h(bright field);C: 72 h(fluorescence field)

5討論

5.1芯片結構本實驗設計制作了用于腫瘤細胞三維培養的微流控芯片，選取具有良好生物相容性，無毒、透明、穩定的大分子生物多糖海藻酸鈉與二價鈣離子螯合生成的海藻酸鈣作為骨架結構。在構建該芯片過程中發現，首要解決的問題是在微尺度液體層流狀態下，Ca2+溶液如何均勻、緩慢與微培養腔中的海藻酸鈉相接觸，而不發生Ca2+溶液在與海藻酸鈉接觸后將海藻酸鈉“推”出通道。為解決該問題，設計了Fig 1所示的芯片結構。Ca2+溶液由微培養腔兩側通道加壓滲入微培養腔，與海藻酸鈉螯合而成膠。海藻酸鈉Ca2+形成凝膠后，會發生一定程度的皺縮，產生一定的空隙；此外海藻酸鈣凝膠具有一定的強度，故可以自與細胞培養腔相連的入口以低流速灌注培養液進行動態培養。

5.2成膠、溶膠所需溶液應用方式在具體實驗操作過程中，芯片中流體的切換難免涉及軟管、接頭的插拔，此外，即使迅速在保證無菌的條件下完成接頭的更換，凝膠膠體中和芯片微通道內殘留的Ca2+徹底排除也需要一定時間，本實驗根據在使用流速下芯片內液體完成一次全更新的時間，提前更換連有培養液的接頭。但此法仍然較為繁瑣，今后擬設計一種無間斷流體切換結構集成于芯片內從而解決該問題。另外該實驗過程中不應引入含有能與Ca2+生成沉淀的陰離子，故PBS溶液在本實驗中未使用，而以培養液代替。

5.3統計分析方法使用細胞活性檢測試劑盒對細胞染色時，由于染色液需要滲入凝膠后著染細胞，因此孵育時間較常規染色略長，以30 min為宜。由于三維生長狀態下細胞聚集成球，染色后計數分析準確度會受到干擾，本實驗采用不同焦平面多次拍照，合并熒光圖后計數的方式減小誤差。但在本實驗確定了應用該方法條件下細胞具有較高生存率之后，后續實驗應盡量避免大量使用熒光染色后利用IPP軟件計數的分析方法，而通過檸檬酸鈉溶膠后使用如流式細胞術等更加準確快捷的方式。

6小結

腫瘤細胞微環境對于腫瘤細胞的發生、發展，腫瘤細胞的轉移及其與外周環境的各種聯系和物質交換均有重大的意義。但常規使用的細胞培養皿、多孔板均存在無法模擬腫瘤細胞生長的三維環境。通過與能夠在微尺度下模擬體內生理狀態的微流控芯片相結合，本文設計構建了用于腫瘤細胞三維培養的微流控芯片，并篩選出適合的成膠、溶膠條件。在該條件下培養肝癌細胞SMMC-7721，細胞生長狀態良好，且細胞生長與聚集形態與傳統二維培養存在差異。利用該芯片和適合的三維培養條件，可以為在更接近真實人體的環境下深入研究腫瘤細胞特性，及抗腫瘤藥物的篩選提供更有利的方式。

(致謝：本實驗完成于遼寧中醫藥大學分析測試中心，感謝王達、索軼平、樊佳新等參與人員。)

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Microfluidic chip for tumor cell 3D culturing establishment and its cultural conditions

XU Wei-feng1, WANG Shuai1,2,3, MENG Xian-sheng1,2,3, BAO Yong-rui1,2,3

(1.CollegeofPharmacy,LiaoningUniversityofTraditionalChineseMedicine,DalianLiaoning116600,China; 2.LiaoningMulti-ComponentsEngineeringTechnologyResearchCenterofTraditionalChineseMedicine,Shenyang110032,China;3.LiaoningModernizationResearchandEngineeringLaboratoryofTraditionalChineseMedicine,DalianLiaoning116600,China)

Key words:microfluidic chip; tumor cell;tumor microenvironment;three-dimensional cell culture; sodium alginate; culture condition

Abstract:AimsTo design and fabricate the 3D cell cultural microfluidic chip for tumor cell culturing, with which to research the compatible conditions for gelatin forming and dissolving with calcium alginate as the scaffolds. To culture SMMC-7721 cells in the chip and to detect the surviving rate.MethodsThe microfluidic chip was fabricated with the software Corel Draw, the technology of soft lithography, molding, and plasma bonding. The applicability was tested and cells were cultured on it, on which the cell status was observed, their surviving rate was calculated with the help of the software IPP.ResultsThe chip we fabricate was calculated is suitable for cell 3D culturing, the tumor cells showed a favorable proliferation ability in 72 h on chip, the surviving rate was (96.1±4.5)%. The cells were solid and TCS appeared.ConclusionThe microfluidic chip manufactured appeared for tumor cell 3D culture, is suitable for the growth of SMMC-7721 and the cells are indubitable. They show some different status in proliferative and agminated compared with traditional 2D cell culture. With the chip and the condition found, there will be a better way to study the characteristics of tumor cells and is beneficial to the screen of anti-tumor drugs.

收稿日期:2015-12-26,修回日期:2016-02-18

基金項目：國家“十二五”重大新藥創制專項(No 2013ZX09507005-005)

作者簡介：徐為峰(1990-),男，碩士生，研究方向：藥物分析,E-mail:xuwf0529@163.com; 孟憲生(1964-)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向：中藥組分配伍、代謝組學及藥品質量分析，通訊作者,E-mail:mxsvvv@126.com

doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2016.04.027

文獻標志碼：A

文章編號：1001-1978(2016)04-0581-05

中國圖書分類號：R329.24；R34-33；R73-3；R735.7

網絡出版時間：2016-3-18 11:22網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20160318.1122.054.html

◇實驗方法學◇