基于细胞打印的三维MCF-7乳腺癌细胞球高通量构建研究.pdf

257 Volume 1 · Issue 2 · June 2015 Engineering 基于细胞打印的三维 MCF-7 乳腺癌细胞球高通量构建研究 凌楷 1,2， 黄国友 2,3， 刘俊聪 2， 张晓慧 2,3， 马玉菲 2,3， 卢天健 1,2*， 徐峰 2,3* 摘要：基于细胞球的体外组织模型在生理病理机理和药物筛选 方面具有重要的研究意义和广阔的应用前景，利用微纳生物制造 技术可控构建细胞球已吸引了越来越多研究者的关注。微孔板法 作为一种简单易行的细胞球构建方法经常被研究者采用，但目前 的微孔板法存在结构制备和可控性不足、细胞种植不均匀以及细 胞容易流失等问题。本文利用自行搭建的细胞打印技术制备载细 胞的明胶微凝胶作为模板，构建了带有凹面微孔阵列的聚乙二醇 二甲基丙烯酸酯水凝胶微孔板芯片并原位形成了乳腺癌细胞球。 本方法操作灵活、可控性好，避免了细胞种植不均匀和细胞流失 等问题，在组织工程、再生医学以及药物筛选等研究具有重要的 应用价值。 关键词：MCF-7细胞球，细胞打印，水凝胶，微孔板芯片 1?引言 基于细胞球的体外组织模型在组织工程、再生医学 以及药物筛选等领域得到了越来越广泛的应用 [1–4]。细 胞球是一种细胞三维聚集结构，直径从几十到几百微米 不等。大量研究表明，与传统二维细胞培养相比，三 维细胞球能够更好地模拟体内多种细胞 (如MCF-7乳腺 癌细胞) 的三维微环境，获得与在体更为接近的响应结 果 [5, 6]。而且，与三维支架方法相比，细胞球不需要支 架材料，从而避免了可能存在的支架材料生物相容性问 题 [7]。不同种类的细胞均可形成细胞球，包括正常细胞 [8, 9]、癌细胞 [10, 11]和干细胞 [12, 13]，以及这些细胞 的混合体系 [14, 15]。近年来，体外组织模型 (如细胞球) 和芯片培养技术的结合与发展吸引了众多研究者的关注， 有可能极大地促进生物医学的发展 [16–18]。 构建细胞球有多种方法，大多基于流动细胞的自组 装特性 [19]，如基于细胞非黏附表面的平板法 [20]，基 于重力的悬挂液滴法 [21]，基于磁力的磁悬浮法 [22]等。 其中，微孔板法因其操作简单、实现起来较为容易的优 势，得到了广泛的应用。并且，细胞球微孔板作为组织 芯片的一部分，可与微流控技术相结合，具备高通量制 备体外三维组织的能力，能为高通量药物筛选提供更为 便捷的手段。微孔板法的基本原理是利用微孔结构的空 间约束和微孔板材料的细胞非黏附特性，促进细胞在生 长过程中通过细胞之间的黏附力聚集成球 [11]。制备微孔 板常用的方法是采用硅或金属材料作为模板，通过倒模 形成聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane，PDMS) 微孔 板。但是，硅和金属模具加工过程较为复杂，成本也较 高，并且每次使用后清洗困难，重复使用效果差。近些 年来，基于琼脂糖、海藻酸盐以及聚乙二醇 (polyethylene glycol，PEG) 水凝胶的微孔板在细胞球培养方面得到了 发展。目前水凝胶微孔板中微孔结构多半是圆柱状，底 面为平面，形成的细胞球的尺寸和形状差异较大。研究 表明，凹状微孔 (如凹面微孔) 能够更好地促进细胞聚集 生长后形成尺寸均一、形状规则的细胞球 [23, 24]。但是， 仍缺少一种有效的在水凝胶表面构建凹面微孔的方法； 1 State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, School of Aerospace, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2 Bioinspired Engineering and Biomechanics Center (BEBC), Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 3 The Key Laboratory of Biomedical Information Engineering of the Ministry of Education, School of Life Science and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China * Correspondence authors. E-mail: tjlu@, fengxu@ Received 9 February 2015; received in revised form 25 March 2015; accepted 30 March 2015 ? The Author(s) 2015.