Primo定制化细胞微环境制备系统

生物建模的黑科技——快捷精准的“定制化细胞微环境制备系统”

（一） Alveole PRIMO 的原理
定制细胞模型， 研究微环境对细胞内和细胞间机能的影响是细胞和医学研究的重要方向。 如何制备出具有可控性和重复性的微环境， 以便更有效的研究活细胞和疾病模型， 一直以来都是生物学家进行体外细胞研究所面临的巨大挑战之一。
法国 Alveole PRIMO “定制化细胞微环境制备系统” 是创新性定制细胞模型的工具，能在微米级别的尺度下， 以具有超高灵活度和再现性的生物工程手段实现体外微环境的定制， 同时可对其机械力学和生化特性进行设计微调。

图 1. 左图： 选择电脑中任意一张图案， 在 LEONARDO 软件作用下， 用 PRIMO 进行非接触式、无掩模 UV 投射和蚀刻。 PRIMO 模块和大多数倒置显微镜兼容。 右图： PRIMO 通过控制 DMD（Digital Micromirror Device） ， 即 DLP chip 的微型镜片的开合状态， 控制投射在细胞基质上的紫外激光的照射强度、 照射时间和照射区域， 按照图案进行灵活蚀刻【1】 。

图 2. PRIMO 有三种设计方法： （1） 基质的表面功能化（Micropatterning） ： 适用于细胞微环境研究； （2） 水凝胶的结构化： 适用于 3D 细胞培养； （3） 微制造（Microfabrication）：适用于制造微流控芯片【1】 。
在上一篇中我们探讨了第一种设计， 今天探讨第二种和第三种： 水凝胶的结构化（图 3） 和微制造（Microfabrication） （图 4） 。

图 3. 第二种设计： 水凝胶的结构化。 A 图表示在氧气不足的条件下， UV 光照射， 可使水凝胶固化； B 图表示水凝胶固化的高度随 UV 照射强度增加而增加。 我们结合 UV-图像照射和气体可渗透的微反应器， 可获得 4 种水凝胶的工程方法： 完全多聚化（totalpolymerization）、Z 轴控制的多聚化（ z-controlled polymerization） 、 光剪切（photo-scission） 和修饰（decoration） 。 单独应用或结合应用就可以解决水凝胶工程化问题。 适用于 3D 细胞培养【1】 。

图 4. 第三种设计： 微制造（Microfabrication） 。 用 UV 光固化感光树脂/光刻胶（photoresist） ， 再用 PDMS（聚二甲硅氧烷） 在固化的 photoresist 上倒模， 形成带有微结构的 PDMS 芯片。 适用于制造微流控芯片【1】 。

（二） PRIMO 的主要特点和优势【1】 ：

• 无掩模： 非接触式、 无掩模 UV 投射成像（波长λ =375nm） ， 可灵活控制 UV 的强度、 照射时间、 区域；

• 自动化： 全自动快速定制， 可针对实验条件进行快速优化；

• 高灵活性： 可按照任意图案去构建您的基质和/或使其功能化， 不限图案的大小和复杂程度， 生成不同的细胞模型；

• 多样性/兼容性： 适用于常规的细胞培养基质， 基质可为平面或有微结构， 可硬可软，如： 玻璃盖玻片、 塑料培养皿、 聚二甲基硅氧烷（PDMS） 、 聚苯乙烯、 水凝胶（PEG 丙烯酸酯、 聚丙烯酰胺凝胶、 琼脂、 基质胶） 、 光刻胶， 等；

• 常 用 蛋 白 ： 我 们 的 客 户 日 常 使 用 超 过 10 种 的 各 类 蛋 白 ： Fibrinogen-488,Fibrinogen-647, Fibronectin, GFP, Neutravidin-488, Neutravidin-647,PLL-PEG-Biotin, Protein A-647, Streptavidin, 初级和次级抗体， 等；

• 高分辨率： 全视野分辨率为 1.2µm（500× 300µm ， 20 倍物镜） ；

• 多层次： 可蚀刻 256 个灰阶层次， 粘附不同密度层次的蛋白；

• 多种蛋白： 可应用 3 种不同蛋白（根据实验需求） ；

• 自动对齐： 自动进行检测和图案定位， 可自动对齐于微结构或者微图案上；

• 速度快： 蚀刻 500× 300µm 图案， 20 倍物镜， 仅需 30s。
  

（三） 应用举例：
（1） 非粘附性基质的细胞球标准化培养

图 4. PEG 水凝胶为非粘附性基质， 通过光固化和光剪切， 使 UV 敏感的水凝胶形成特定形状，再进行功能化。 水凝胶固化会形成微孔（直径 100um， 高度 175um） ， HEK 细胞种植其中形成细胞球【2】 。
上图： 光聚合的 PEG 水凝胶（4-arm-PEG-acryl hydrogel） 槽内的 HEK 细胞球。
下左图， 下右图： 共聚焦荧光显微图像， 双球体和小球体。
杯状的 PEG 模板可用于细胞球体培养。 细胞球是细胞的聚集， 可以作为生理模型或复杂类器官的起始模型。 但以前因为缺少适当的培养基质， 所以它的形状和细胞数目都不同， 导致实验结果不可靠。 现在我们将 HEK 细胞种植在不同拓扑结构的 PEG 杯中， 可形成标准化的细胞球， 其体积和形状和 PEG 微孔一致。 水凝胶的惰性、 透明性、 可渗透性和灵活性结构使其成为细胞球生长的首选材料。
PRIMO 作用： 非粘附性水凝胶基质固化形成微孔， HEK 细胞种植其中形成细胞球。

（2） 粘附性基质的细胞培养

图 5. D 图： 可以粘附细胞的水凝胶波浪形结构， 右侧图是在水凝胶上生长的 COS-7 细胞的肌动蛋白细胞骨架， 肌动蛋白被染色。
E 图： 模拟小肠绒毛结构。 蓝色是 4-arm-PEG-hydrogels， 红色是 Poly-L-lysin（聚-L-赖氨酸） ； 右侧图也是在水凝胶上生长的 COS-7 细胞的肌动蛋白细胞骨架， 肌动蛋白被染色。【2】
PEG 或琼脂糖水凝胶是生物惰性的： 它们阻止生物分子的吸附和细胞的粘附。 而基质胶（Matrigel） 是一种温度凝固的水凝胶， 富含层粘连蛋白（laminin） 、 胶原蛋白（collagen）和其他粘附因子， 是高度细胞相容性的。 通过混合基质胶和可以光聚合的 PEG 前体， 可以创造出粘附性的杂合的水凝胶， 种植的细胞快速均匀一致的铺展， 在结构的顶部形成融合层（D图） 。
PEG 或琼脂糖水凝胶是生物惰性的， 而光交联剂 Acryl-PEG-Sva（APSv） 是一种能对水凝胶进行修饰的分子。 这种异向双功能分子可以光交联到水凝胶上， 同时 APSv 的其他基团通过酯化反应交联氨基丰富的粘附分子， 如聚-L-赖氨酸。 光交联后的混合水凝胶就局部地反转了初始凝胶的生物惰性， 允许其吸附大范围的蛋白质（E 图） 。
PRIMO 的作用： 混合惰性水凝胶和其他水凝胶， 形成粘附性基质， 或改造惰性水凝胶成为粘附性基质， 再通过光固化和光剪切， 使 UV 敏感的水凝胶形成特定形状， 表面进行功能化，再种植细胞。

（3） 用微制造（Microfabrication） 进行微流体结构设计

图 6.用微制造（Microfabrication） 进行微流体结构设计【3】 。
PRIMO 实验：
左图： 用感光树脂/光刻胶 SU8 制造出直径为 3um， 间距为 3um 的微柱结构。
中图： 用感光树脂/光刻胶 SU8 制造出的微流体结构。
右图： 微流体结构的外形。
PRIMO 作用： 通过在固化的感光树脂/光刻胶上倒膜制造出微流体结构。

（四） 总结
PRIMO 强大的生物建模能力和对细胞微环境的控制， 可以为多种生物学实验带来全新的、 突破性视角， 可用于研究细胞迁移、 细胞黏附、 细胞趋触性、 2D/3D 细胞标准化培养、细胞球培养、 生物力学、 组织工程、 微流体设计等多个领域。

参考文献：
【1】 Alveole 的官网： https://www.alveolelab.com/

【3】 Jérémy Decock et.al., In-situ photo-patterning of pressure-resistant hydrogel
membranes with controlled permeabilities in PEGDA microfluidic channels.

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