微流控液滴包覆细胞新方法研究及其在药物筛选中的应用

This project aims at developing a novel microfluidic droplet technique for single-cell drug screening. Basing on integrating porous PDMS membrane and special microfluidic network with chips, droplet generation is controlled by surface tension. This approach for droplet generation owning several virtues: mild condition, high throughput, short stabilizing time for droplets, low reagent consumption, and high controllability. It has prominent advantages over conventional techniques, and is quite suitable for researches on cell biology. According to Poisson distribution rule which illustrate single-cell occupancy in droplets, we study single-cell encapsulation, capture and fix the droplets to form arrays. Anticancer drugs are added into each droplet. Responses of each single cancer cell to stimulations, which reflect the heterogeneities between cells, are investigated. Thereby we realize anticancer drug screening at single-cell level. The surface-tension driven microfluidic droplet generation technique based on porous PDMS membrane for single-cell analysis provides insight for researches on cancer pathogenesis and anticancer drug screening.

本项目拟发展一种新的微流控液滴技术用于单细胞水平的药物分析。通过在微流控芯片内设计含有多孔的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄层和特定的微流体网络，在表面张力的控制下实现液滴的生成。这种液滴生成的方式具有条件温和、通量高、液滴稳定所需时间短、试剂用量少和可控性好的优点，与传统的液滴生成方式相比具体突出的优势，非常适合用于细胞生物学的研究。通过掌握单个液滴在单细胞分配中的泊松分布规律，研究液滴的单细胞包覆技术，并将液滴捕获并固定形成阵列。通过在每个液滴中加入抗癌药物，考察单个癌细胞对抗癌药物所产生的刺激响应，反映癌细胞个体之间的差异性，实现在单细胞水平上的抗癌药物筛选。这种基于表面张力的多孔PDMS薄膜的微流控液滴技术的单细胞分析研究方法有望为探索癌症在细胞水平上的发生机制和筛选出有效的抗癌药物提供了新的思路。

在本项课题的资助下，针对单细胞分析的难点，使用自制喷墨打印(Inkjet)驱动电路产生可控液滴的体积和液滴数，研制了一种基于压电陶瓷喷墨打印驱动设备，该驱动设备可编辑任意输出驱动波形的驱动电压和脉冲宽度，使Inkjet一定粘度的样品的液滴体积大小可调，成为一种新的微流控液滴技术用于单细胞水平的药物分析方法，并与质谱联用，实现了皮升级液滴包裹的单一活细胞在线痕量脂质分析检测。发展了一种使用inkjet在微流控芯片内对不同细胞进行微量精准定位共培养的方法，实现了胶质瘤细胞、内皮细胞及巨噬细胞的共培养，对胶质瘤微环境进行了一定程度的模拟，用于前体药物的代谢及扩散实验。并对微环境中细胞间相互作用及细胞形态变化、表型变化、迁移情况进行同时监测，观察到了肿瘤细胞在微环境中与体内状况相一致的上皮-间充质转化的现象，同时也检测到了细胞的迁移运动及通过细胞因子变化对微环境中巨噬细胞表型变化进行分析。