二维平面细胞微图案化技术及其生物学应用

　　　　　　 作者：刘文文 陈振玲 蒋兴宇

【摘要】 可以控制细胞粘附形状、大小的方法统称为细胞图案化技术。这些方法结合微纳米制备、表面化学、电化学和光化学等手段可以动态控制细胞的粘附、迁移、分化及其相互作用，为细胞生物学研究提供了一个新平台。本文介绍了二维平面细胞图案化的各种方法，并对其优缺点进行了总结，评述了细胞图案化技术在细胞生物学基础研究、组织工程以及基于细胞的生物传感器领域的应用。

【关键词】 细胞图案化，组织工程，细胞传感器，自组装单层膜，软刻蚀，评述

　　Abstract The technologies that we call cell micropatterning allow the control of the shape and size of cell adhesion. Combination of micro/nano technology， surface chemistry， electrochemistry and photochemistry enables us to control the adhesion， migration， differentiation of cells and the interactions between different types of cells. These methodologies bring about a new platform for the studies of cell biology. A number of techniques for cell patterning and compares their advantages and disadvantages were reviewed in this article. The applications of cell micropatterning， including those for fundamental studies in cell biology， tissue engineering and cellbased biosensors were also discussed.

　　Keywords Cell micropatterning， tissue engineering， cellbased biosensors， selfassembled monolayer， soft lithography， review

　　1 引 言

　　20世纪70年代，用于生物分子和细胞的图案化技术已开始出现[1]。细胞图案化技术主要分为两类：一类是通过表面修饰形成细胞粘附生长的图案化区域，使细胞选择性地粘附生长形成图案；另一类是通过可移除的物理障碍将细胞限制在图案化的区域生长，形成细胞图案。基于上述两种原理，各种细胞图案化技术相继出现并得到发展[2]。

　　在众多的图案化技术中，细胞大多被固定在二维平面。人们发现基底的形貌和物理性质会对细胞的功能产生很大的影响，而且大部分高等动物细胞（除血球细胞等少数几种细胞）都是贴壁生长的，这为图案化技术在生物学领域的应用奠定了基础。在基础生物学方面，图案化技术可以建立两种或两种以上的细胞共培养体系，已成为揭示细胞与细胞以及细胞与基底相互作用基本机理的有力工具。另一方面，图案化能将细胞精确定位在表面，这将在很大程度上促进细胞传感器和分子传感器的发展。目前，二维细胞图案化技术已在生物学领域受到广泛关注。

　　2 细胞图案化的方法

　　2.1 光刻技术

　　光刻技术最初应用于半导体产业中，该技术利用紫外光将掩膜上的几何图案转移到基底上(见图1)。首先在基底上铺一层光敏聚合物——光刻胶，然后基底在光掩膜覆盖下曝光显影形成图案。表面修饰材料(如蛋白质等)吸附在基底表面后，将基底浸入到有机溶剂中洗脱光刻胶，即可在底面上形成表面修饰蛋白质的图形，细胞会按照已修饰的图形粘附和生长，形成细胞图案[3]。
　　
　　光刻技术以其较高的精确度成为固体表面图案化的主要手段。但是，光刻过程需要洁净空间和昂贵的设备，并且对于实验者要求较高，限制了其在生物技术方面的广泛应用。此外，光刻加工过程采用的化学溶剂容易使生物大分子变性，使它们失去活性[4]。

　　2.2 软刻蚀技术

　　近年来，Whitesides 等[5，6]研究了一系列更具生物相容性的图案化方法，统称为“软刻蚀”。软刻蚀技术通过使用高分子聚合物，如聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxine， PDMS)，在有图案的底模上形成印章，达到复制微米甚至纳米尺度结构的目的(图2)。

　　与光刻技术相比，软刻蚀最大的优点在于制作过程更简便[6]。软刻蚀仅需要在制备底模时做一次光刻，而其后的过程在普通实验室就可完成，将对洁净空间的要求降到最低。因为底模和印章可被重复利用，软刻蚀比光刻更加经济、方便和有效。此外，PDMS 的弹性可以使它容易在曲面和外形可变的基底上进行图案化，透明、自发荧光低的特点使得某些样品可在光学显微镜下直接观察。软刻蚀的这些优点使它正成为细胞图案化的主要方法，常用到的有微接触印刷、微流控图案化以及模板图案化；其中微接触印刷、微流控以及上述的光刻都属于通过表面修饰形成图案化的方法，障碍物限制细胞迁移来实现图案化的方法。

　　2.2.1 微接触印刷

　　微接触印刷(microcontact printing ， μCP)技术最早用于将硫醇转移到金表面，形成图案化的自组装单层膜(selfassembled monolayers， SAMs)[7]。用 PDMS复制光刻的微结构即获得微接触印刷所需要的印章（图2A），将印章在硫醇溶液中浸泡以后，用氮气或者压缩空气使其表面的图案干燥。印章表面的图案与金表面相接触，硫醇分子从印章凸面转移到金表面上形成SAMs；印章凹面未与底面接触，所以其对应的基底是裸露的。这一过程完成后，将金表面置于另一种硫醇溶液中，第二种硫醇分子将覆盖金表面的裸露部分，这样就在同一个金表面上形成了两种类型的SAMs，并且具有不同的表面性质。例如：以甲基结尾的硫醇形成的SAMs能够促进细胞粘附，以聚乙二醇 (polyethylene glycol ， PEG) 结尾的硫醇形成的SAMs则抗拒细胞粘附，当细胞被接种到这个表面后，它仅在甲基结尾的SAMs上粘附。这些为控制细胞的形状、大小等奠定了基础(图3a)。

　　微接触印刷的使用范围不仅仅局限于金表面，在聚乙二醇修饰的玻璃和二氧化硅表面同样可以使用[8]。如上所述，传统的微接触印刷只能形成一种或两种分子图案，只有使用多级印章才可以形成多种分子的图案[9]，但其制备过程相对复杂。

　　2.2.2 微流控图案化

　　微流控图案化是一个与微接触印刷相关的过程(图2B)，但与微接触印刷不同的是PDMS模板底面具有微通道网络。当 PDMS 模板与底面接触后就形成微流管道，在管道的开口处加入溶液，液体可以进入管道并在表面吸附形成图案[10]；引入液体的方法可以依赖毛细作用或注射泵[11，12]。微流控图案化可相对简便地产生多种分子修饰。与微接触印刷相比，微流控图案化的优点是不需要对修饰在表面的分子进行干燥，这样就易于将一些敏感分子(如不稳定的蛋白或酶)修饰在表面，并且维持其生物活性。由于微流控图案化是运用不同分子的溶液来形成图案，通常每一种分子的图案在表面上都是连续分布的[13]，这就限制了图案形状的多样性。

　　2.2.3 模板图案化

　　用于细胞图案化的“模板”，就是指带有一定几何形状和大小的透孔的膜。PDMS是模板图案化的合适材料，因为它与大多数的干燥表面都能紧密结合。模板的制作类似于微接触印刷的印章，但在PDMS固化之前使液体 PDMS不完全覆盖表面结构（即表面微结构的高度要大于PDMS液面的高度），之后将固化的PDMS从模板上剥离下来就会得到具有透孔的 PDMS 模板(图2C)。膜与基底紧密接触后，透孔处的底面就被暴露出来，其它区域仍被PDMS膜覆盖。因为细胞仅在暴露的基底粘附，所以揭去模板后细胞就会在基底上形成设计的图案[14，15]。模板图案化是一种不需要对基底进行化学修饰即可进行细胞图案化的方法。该方法制作圆形、方形等简单图案比较容易，但边角比较多的图案在PDMS的剥离过程中易损坏。

　　3 细胞图案化的生物学应用

　　3.1 细胞生物学基础研究

　　细胞图案化最重要的应用就是研究细胞的基础机制和特性，在二维表面上控制细胞大小和空间排布的能力，为细胞生物学研究提供了新的工具。体内的细胞并非封闭的单元，它与周围的细胞以及胞外基质之间有着诸种联系，它们不仅仅是加强细胞之间的机械连接，更参与了物质交换和信号转导过程[16]。当细胞在基底上粘附时，依赖细胞膜上的整合素和细胞外基质相连。整合素首先聚集在一起，然后募集各种结构蛋白和信号蛋白形成粘着斑[17]。整合素与胞外基质连接的改变，最终将导致细胞骨架的重新排列，使细胞可以在表面铺展和迁移[18]。无论是在胚胎发育还是整个生命过程，细胞与细胞之间及细胞与胞外基质之间的连接对于组织形态结构的形成和发挥其功能特性都具有特殊作用，例如当神经细胞之间的连接丧失以后，兴奋的传导就会中断，这将直接造成相应的神经退行性疾病。

　　表面图案化技术已经证实细胞形状以及细胞连接的改变会影响细胞的分裂增殖[19，20]和分化[21]。可以利用大小、形状以及构造不同的图案来控制细胞与细胞之间以及细胞与基底之间的连接。图案化技术可作出一系列面积逐渐增大的图案，这些图案上粘附细胞的数目将随面积的增大而增多，细胞间连接也因此增多。用领结型图案培养细胞就可实现对细胞形状和细胞连接的同时控制。设计合适尺寸的图案使“领结”两端分别仅够粘附一个细胞，这样两个细胞只在“领结”的中间区域有连接，所以该区域的宽度就决定了细胞连接的程度[22，23]。细胞与细胞之间的连接在体内的许多生理过程中都发挥着重要作用。例如，血管内皮细胞之间的紧密连接是血脑屏障的结构基础。而在血管生成过程中，内皮细胞在增殖的同时还需要保持细胞间的紧密连接以阻止某些物质到达脑组织。

　　早期的研究通过调节胞外基质面积来调节细胞的铺展程度（即细胞与基底的连接）。结果表明，细胞只有在铺展的时候才可以增殖[24]。然而，基质浓度的变化同时刺激了整合素连接的胞内信号转导，细胞增殖是否仅由铺展引起仍是未知。图案化技术可帮助实现独立控制细胞铺展面积及细胞与基底的接触面积。利用微接触印刷技术在基底上做不连续的小图案，通过调节图案间的距离，可以改变细胞的铺展面积而保持细胞的粘附总面积基本不变。该项研究发现，细胞的铺展面积，而非细胞的粘附总面积，是细胞增殖期与静止期转换的重要因素[20]。

　　本研究组将细胞图案化应用于细胞迁移的研究中[25]，用电化学的方法脱附SAMs，可使已经图案化的细胞在表面自由移动（图 3）。用 μCP 或微流控的方法将细胞进行表面图案化，图案化的表面有两部分组成，一部分是末端连接聚乙二醇 (polyethylene glycol，PEG) 的 SAMs 构成的惰性表面，用于抗细胞粘附；另一部分是可粘附细胞的纤维蛋白（见2.2.1）。通过电化学反应，末端连接 PEG 的巯基从金表面脱吸附离去，细胞便可以在原来的惰性表面粘附和迁移。

　　利用该方法可研究细胞形状的不对称性和迁移方向之间的关系。在细胞已经形成图案时 (t=0) 使用电化学法脱附，COS7 细胞沿不对称图形的钝端迁移(虚线作为细胞定位的参照)[26]。在此基础上，再利用微流控的方法可形成浓度梯度[27，28]，有利于研究细胞在被诱导状态下的迁移。研究表明，高尔基体、中心体以及细胞核等细胞器的相对位置的关系会影响细胞的急性和迁移方向[29，30]。

　　能够改变表面分子末端官能团的化学方法也可以动态控制细胞在表面的粘附。当对苯二酚或其衍生物作为 SAMs 分子的末端时[31～33]，电化学可使其发生氧化反应。反应得到的结构是可以在表面上促进细胞粘附的基团，从而使本来不能粘附细胞的表面变得可以粘附细胞，进而控制细胞在表面的粘附和迁移。这些小分子的表面化学性质已成为控制细胞的粘附和迁移的有效技术[34]本研究组使用紫外光使偶氮苯在SAMs表面上可逆地展示其RGD配体，实现了可逆地控制细胞的粉附[35]。

　　3.2 组织工程

　　组织并不是单一细胞的简单堆积，而是多种细胞有机结合的完整功能体。细胞与细胞之间的相互作用是研究组织工程的一个关键问题，如脉管系统（平滑肌细胞和内皮细胞） 、骨骼肌（单核成肌细胞和末梢神经）以及肝脏（肝细胞和窦状小管内皮细胞）中都存在众多细胞之间的相互作用。传统的共培养体系不能将不同种类的细胞控制在同一基底培养，使得关于细胞相互作用的研究变得很困难。多种细胞图案化的共培养体系是研究组织模型中细胞间相互作用的良好平台。1997年，Bhatia等［３6］首次利用细胞图形化技术来改变肝细胞和纤维原细胞的直接接触位点，证明在该培养体系中肝细胞和纤维原细胞直接接触的点越多，肝细胞越能够维持其正常的表现型。

　　电化学与微流控相结合可以把多种细胞固定在表面。这样不仅可在时间和空间上控制细胞的粘附和脱附，更能精确的控制细胞之间的距离（图5）。如图5所示，中间的条带是 NIH3T3细胞，两侧的条带是Hela 细胞，运用1.2 V阴极电压电解脱附30 s后，所有细胞便可自由地在表面移动。这种方法可以研究同一表面上多种细胞的动态行为和相互作用[37]。

　　上述通过操纵空间位置来调控多细胞体系的方法在体外组织重建等领域中有广阔的应用前景，例如肝脏、皮肤、血管、肌肉以及其它组织。体外模拟体内研究的最终目的是可以应用于组织工程，但是若把上述体系移植入体内还存在一定的障碍。大多数的细胞图案化技术都是以硅、金或玻璃为基底，若使细胞从基底上脱附并且维持原有的结构还是一个较大的技术难题。于是，科研人员开始了以生物材料为基底的细胞图案化研究[38，39]，以求基底可以在体内直接降解。壳聚糖和明胶具有较高的生物相容性，并在生物医学领域已经有了广泛的应用。研究证明，在壳聚糖和明胶膜上可以进行人微血管内皮细胞的图案化。将纤维原细胞和人微血管内皮细胞在壳聚糖基底上图案化以后，共培养会产生毛细管状的结构[40]。

　　综上所述，细胞图案化在组织工程中已有广泛的应用。然而现阶段的问题是：如何将二维平面的实验系统转变为三维的组织结构；如何将组织中的几种细胞以最佳的数量和位置关系在体外共培养；更重要的是获得了具有特殊结构的细胞后，它能否行使组织功能[41]。

　　3.3 基于细胞的生物传感器

　　细胞作为细胞生物传感器最基本的感应单元，能够表达一系列潜在的分子识别元件，例如受体、信号分子和酶，并且它们在细胞内处于“自然态（native state）”[42]。在不破坏细胞形态结构的状况下，可以用生化和物理技术对活细胞的生活状态、代谢过程及信号通路等进行定性和定量的分析，甚至研究其动态变化。蛋白质作为大多数分子传感器的感应单元，其稳定性和亲和力易受微环境变化的影响，如酸碱度等；而细胞本身可以为被检测分子提供一个相对稳定的环境。细胞传感器保持了分子传感器高通量的优点，而相对于复杂的动物活体分析它又能够快速检测。

　　图案化技术可以将细胞固定在二维表面形成微阵列，直接研究单细胞的行为（如通过细胞内的Ca2+含量变化研究细胞对刺激的反应）[43]。在众多的细胞类型中，神经细胞、心肌细胞等能够感受电刺激的细胞被广泛应用在细胞传感器中的感应单元，因这些细胞的生理状态可以用微电极直接监控。对于神经细胞来说，环境中化学信号的改变会引起膜电位的变化。因此，神经元经常被用于药物检测、毒性检测以及探测气味物质[44]。早期的研究为了检测到这些信号，以极高的密度接种细胞使细胞覆盖在微电极上的概率增加，但这样也增大了测量误差。现在图案化技术可以更精确的定位细胞，用微接触印刷在微电极阵列表面固定多聚赖氨酸，神经元细胞就会粘附在微电极阵列上[45]。

　　细胞微阵列现已经成为检测细胞对于药物筛选[46]、抗体检测[47]及RNAi 转染[48]的一种重要工具，以其高通量、节约试剂等优点被广泛关注。但是仍存在许多复杂的问题，如细胞类型的选择、细胞活性的保持以及传感器的微型化和便携化等。随着检测手段[49]和软件的发展，实时、持续和快速的细胞传感器检测将具有更广阔的应用前景。4 总结与展望

　　二维细胞图案化在生物医学领域具有广阔的应用前景。然而，相对于细胞在体内微环境平面结构仍然比较简单。微流控技术和3D细胞培养系统[50]与细胞图案化结合，将能更加精细地调节细胞微环境（基质、信号分子等），实现更大程度的体内模拟。随着微尺度水平制备技术的发展，以及它与传统生物学实验方法的结合，二维平面细胞图案化技术将为全方位控制细胞的行为提供更多的发展空间。

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