一种用于高通量细胞迁移研究的方法和细胞迁移研究系统

摘要

本发明公开了一种用于高通量细胞迁移研究的方法和细胞迁移研究系统，采用细胞布置器件中的细胞群体限制腔室培养贴壁生长的细胞，得到贴壁生长的细胞群。将贴壁生长的细胞群放在迁移测试器件中的迁移测试腔室中培养，获取细胞生长过程中的图片，以通过图片记录的细胞群的生长所覆盖的区域，计算细胞迁移的迁移距离。采用本发明提供的细胞迁移研究系统进行细胞迁移研究，通过细胞群体限制腔室得到贴壁生长的细胞群，再通过对迁移测试腔室中细胞生长的图片的获取，这种研究方法具有极高的可重复性，并能通过图像处理将细胞的迁移能力定量化。

说明书

技术领域

本发明属于微加工与细胞生物学技术领域，具体涉及一种用于高通量细胞迁移研究的方法和细胞迁移研究系统。

背景技术

细胞迁移与肿瘤的发生和发展关系密切，而细胞迁移受到多种外部环境因素和内部因素的共同影响。对于细胞迁移的相关研究，一方面能够让我们对细胞迁移行为有更多的认识，另一方面，对于肿瘤等和细胞迁移关系密切疾病的治疗探索，具有重要价值。

传统的生物学方法中关于细胞体外迁移实验中主要有划痕实验和侵袭试验两种实验方法，划痕实验虽然简单，但可重复性差，且划痕的过程会对细胞造成损伤，实验结果也无法将细胞增殖和迁移的作用进行区分；侵袭试验，一方面稳定浓度梯度的环境难以维持，另一方面，无法将细胞增殖和迁移的作用进行区分。然而，对于现有的微流控芯片，不适用于样品的高通量筛选，也无法细胞的增殖和迁移的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何制作一种结构简单、适于样品的高通量筛选的系统，以及一种将细胞的增殖和迁移进行区分的细胞迁移测试方法。

针对该问题，本发明提供了一种细胞迁移研究系统，包括：细胞布置器件和迁移测试器件；

所述细胞布置器件中包括至少一个第一通孔，每一所述第一通孔的一端均设置有底盘，所述底盘上设置有至少一个第二通孔；

所述第二通孔作为细胞群体限制腔室，用于划定贴壁细胞的生长形态；

所述迁移测试器件中包括至少一个第三通孔，所述第三通孔作为迁移测试腔室，用于对在细胞群体限制腔室中完全贴壁的细胞群体进行细胞迁移研究。

优选地，所述底盘上设置有至少两个相同的第二通孔。

优选地，所述第二通孔沿着径向方向的截面形状为圆形。

优选地，所述第二通孔沿着径向方向的截面形状为直径0.20-0.30mm的圆形。

优选地，所述第一通孔和所述第三通孔沿着径向方向的截面形状为圆形、矩形或者多边形。

优选地，所述第一通孔沿着轴向方向的孔深为2-3mm，所述第三通孔沿着轴向方向的孔深大于等于3mm。

优选地，所述细胞布置器件和迁移测试器件由PDMS形成。

另外，本发明还提供了一种使用上述的细胞迁移研究系统进行细胞迁移研究的方法，包括：

将所述细胞布置器件的底盘与洁净的培养皿粘附后，对所述细胞布置器件进行等离子体处理，向所述第一通孔内加入细胞悬浮液；

在所述细胞悬浮液中的细胞沉入所述细胞布置器件中的细胞群体限制腔室中后，吸出所述第一通孔内剩余的细胞悬浮液，以使沉入到所述细胞群体限制腔室中的细胞完全贴壁；

所述细胞群体限制腔室中的细胞完全贴壁后，将所述细胞布置器件去掉，更换为所述迁移测试器件，在所述迁移测试器件中加入预先准备的培养基，以使完全贴壁的细胞群体在所述培养基中增殖和迁移；

每隔预设时间段，对完全贴壁的细胞在所述迁移测试器件中的生长进行拍照，以通过对所述迁移测试器件中的细胞拍照得到的图片研究细胞在所述培养基中的迁移距离。

优选地，所述通过对所述迁移测试器件中的细胞拍照得到的图片研究细胞在所述培养基中的迁移数据，包括：

在对所述迁移测试器件中的细胞拍照得到的图片中，将每一完全贴壁的细胞中的细胞生长所覆盖的区域划分为生长区域和迁移区域；

获取所述迁移区域中的每一点与所述生长区域的圆心之间距离的平均值，计算所述平均值与所述生长区域所在圆的半径之间的差值，以作为所述迁移距离；

其中，所述生长区域是包含所述完全贴壁的细胞生长所覆盖的最大的连通区域，且以所述最大连通区域的质心为圆心的圆中半径最小的圆，所述迁移区域是由所述完全贴壁的细胞生长所覆盖的区域中不包括所述生长区域的区域。

本发明提供的用于高通量细胞迁移研究的方法和细胞迁移研究系统中，采用细胞布置器件中的细胞群体限制腔室培养贴壁生长的细胞，得到贴壁生长的细胞群。将贴壁生长的细胞群放在迁移测试器件中的迁移测试腔室中培养，获取细胞生长过程中的图片，以通过图片记录的细胞群的生长所覆盖的区域，计算细胞迁移的迁移距离。采用本发明提供的细胞迁移研究系统进行细胞迁移研究，通过细胞群体限制腔室得到贴壁生长的细胞群，再通过对迁移测试腔室中细胞生长的图片的获取，这种研究方法具有极高的可重复性，并能通过图像处理将细胞的迁移能力定量化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的细胞布置器件的俯视图的示意图；

图2是本发明实施例提供的迁移测试意见的俯视图的示意图；

图3是本发明实施例提供的细胞布置器件中的每一个第一通孔和底盘的结构的俯视图和侧视图；

图4是本发明实施例提供的迁移测试器件中的每一个第三通孔的俯视图和侧视图；

图5是本发明实施例提供的MCF-7细胞在迁移测试腔室中生长的形态图片和图像处理方法示意图，其中，(a)是零时刻的细胞群落的形态示意图，(b)和(c)分别是23h时在1％的FBS条件下和在10％的FBS条件下的细胞群落的形态示意图，(d)是迁移距离计算示意图；

图6是本发明实施例提供的不同浓度FBS条件下MCF-7细胞增殖和迁移的示意图，其中，(e)是不同浓度FBS条件下MCF-7细胞增殖变化示意图，(f)是不同浓度FBS条件下MCF-7细胞迁移距离示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种细胞迁移研究系统，包括：如图1中所示的细胞布置器件010和如图2中所示的迁移测试器件020；

细胞布置器件010中包括至少一个第一通孔011，每一第一通孔的一端均设置有底盘，底盘上设置有至少一个第二通孔012；

第二通孔012作为细胞群体限制腔室，用于划定贴壁细胞的生长形态；

迁移测试器件020中包括至少一个第三通孔021，第三通孔021作为迁移测试腔室，用于对在细胞群体限制腔室中完全贴壁的细胞群体进行细胞迁移研究。

进一步的，底盘上设置有至少两个相同的第二通孔012。

细胞群体限制腔室可以是一个，当然，为了提高实验的精确性，可以在一个底盘上制作多个尺寸和形状相同的第二通孔，以进行多组平行实验。如图1中所示，每一个底盘上均设置有4个第二通孔012。

进一步地，第二通孔沿着径向方向的截面形状为圆形。

可理解的是，第二通孔作为细胞群体限制腔室，其沿着径向方向的截面形状可以是矩形、多边形、圆形等，只要保证作为同一组平行实验中的细胞群体限制腔室沿着径向方向的截面形状和尺寸相同即可。当然，沿着径向方向的截面形状为圆形的第二通孔更加易于制造，且由于不存在尖角，避免了细胞群体限制腔室的室壁中的尖角对细胞生长的影响。

进一步地，第二通孔沿着径向方向的截面形状为直径0.20-0.30mm的圆形。

图3是本发明实施例提供的细胞布置器件中的每一个第一通孔和底盘的结构的俯视图和侧视图。参见图3，该细胞布置器件上的第二通孔沿着径向方向的截面形状为直径为d的圆形，第二通孔的孔深为h，例如，第二通孔沿着径向方向的截面形状为直径d＝0.25mm的圆，第二通孔的孔深h＝100μm的通孔。相邻的细胞群体限制腔室之间的距离不小于0.8mm，以防止在迁移测试腔室中生长的细胞互相干扰。

进一步地，所述第一通孔和所述第三通孔沿着径向方向的截面形状为圆形、矩形或者多边形。

可理解的是，沿着径向方向的截面形状为圆形的第一通孔和第三通孔更加易于制造和清洗。

进一步地，所述第一通孔沿着轴向方向的孔深为2-3mm，所述第三通孔沿着轴向方向的孔深大于等于3mm。

如图3所示，第一通孔沿着径向方向的截面形状为直径为D的圆形，第一通孔的孔深为H，例如，第一通孔沿着径向方向的截面形状为直径D＝4mm的圆，第一通孔的孔深H＝3mm的通孔。

图4是本发明实施例提供的迁移测试器件中的每一个第三通孔的俯视图和侧视图。参见图4，该迁移测试器件上设置有第三通孔，所述第三通孔作为迁移测试腔室，用于对在细胞群体限制腔室中完全贴壁的细胞群体进行细胞迁移研究。

如图4所示，第三通孔的直径为D’，D’＝5mm，第三通孔大于第二通孔，以为在细胞群体限制腔室中贴壁生长的细胞提供足够的迁移空间。第三通孔的孔深不小于3mm。

进一步地，所述细胞布置器件和迁移测试器件由PDMS(聚二甲基氧烷)形成。

作为一种具体的实施例，这种细胞布置器件中包含有4个独立的细胞群体限制腔室，以通过外界的腔室限制，来划定贴壁细胞的生长形态。细胞布置器件加工材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷)以及细胞培养皿。细胞群体限制腔室的形状可以有多种形式，如正方形，矩形，圆形，多边形。细胞群体限制腔室的第一通孔的直径4mm左右，厚度3mm左右，每个细胞群体限制腔室直径为0.25mm，厚度为0.1mm；相邻细胞群体限制腔室之间的距离为0.8mm左右，当然，相邻细胞群体限制腔室之间的距离可根据具体实验需求调整。

作为后续培养的迁移测试腔室的直径5mm左右，厚度3mm以上；在同一块形成迁移测试器件的材料上可以制作多个细胞迁移测试腔室，只要在将细胞群体限制腔室更换为细胞迁移测试腔室时，将每个迁移测试腔室的第三通孔的在培养皿上的圆心和第一通孔在培养皿上的圆心所在位置对应即可，在同迁移测试器件上，不同的迁移测试腔室之间的距离为6mm，当然，不同的迁移测试腔室之间的距离可根据具体实验需求调整。

本实施例提供了一种使用上述细胞迁移研究系统进行细胞迁移研究的方法；

将细胞布置器件的底盘与洁净的培养皿粘附后，对细胞布置器件进行等离子体处理，向所述第一通孔内加入细胞悬浮液；

在所述细胞悬浮液中的细胞沉入所述细胞布置器件中的细胞群体限制腔室中后，吸出所述第一通孔内剩余的细胞悬浮液，以使沉入到所述细胞群体限制腔室中的细胞完全贴壁；

所述细胞群体限制腔室中的细胞完全贴壁后，将所述细胞布置器件去掉，换为所述迁移测试器件，在所述迁移测试器件中加入预先准备的培养基，以使完全贴壁的细胞群体在所述培养基中增殖和迁移；

每隔预设时间段，对完全贴壁的细胞在所述迁移测试器件中的生长进行拍照，以通过对所述迁移测试器件中的细胞拍照得到的图片研究细胞在所述培养基中的迁移距离。

进一步地，所述通过对所述迁移测试器件中的细胞拍照得到的图片研究细胞在所述培养基中的迁移数据，包括：

在对所述迁移测试器件中的细胞拍照得到的图片中，将每一完全贴壁的细胞中的细胞生长所覆盖的区域划分为生长区域和迁移区域；

获取所述迁移区域中的每一点与所述生长区域的圆心之间距离的平均值，计算所述平均值与所述生长区域所在圆的半径之间的差值，以作为所述迁移距离；

其中，所述生长区域是包含所述完全贴壁的细胞生长所覆盖的最大的连通区域，且以所述最大连通区域的质心为圆心的圆中半径最小的圆，所述迁移区域是由所述完全贴壁的细胞生长所覆盖的区域中不包括所述生长区域的区域。

作为更为具体的实施例，采用以上细胞迁移研究系统进行细胞迁移研究包括以下步骤：

(1)通过软光刻的方法制备细胞群体形态限制腔室，并与干净的培养皿底自然粘附；

(2)将步骤(1)中得到的细胞布置器件，置于真空泵中抽真空1min左右并进行2-10min等离子体处理；

(3)将细胞悬液加入各个细胞群体形态限制腔室，30min后吸去悬液，沉入0.25mm孔中的细胞不会被吸出；细胞贴壁后，去掉限制腔室，换用迁移测试器件，并与已经贴壁细胞一一对位。

(4)在每个迁移观测腔室加入含有待测物质的细胞培养液，以得到待测物质对细胞迁移的影响。

(5)每隔一段时间，进行拍照，记录细胞扩增过程，通过图像处理，高通量定量得到细胞的增殖和迁移。

举例来说，应用细胞布置器件和迁移测试器件实现对MCF-7乳腺癌细胞在不同浓度胎牛血清(FBS)条件下的迁移研究具体过程如下：

(1)细胞群体形态限制。

把细胞布置器件放入培养皿中，使其底部(底盘部分)与皿底紧密贴贴合之后，将细胞悬液加入第一通孔中，以使细胞悬液进入各个细胞群体限制腔室中，每个细胞群体限制腔室大约能容纳0.02ml的悬液。为了保证细胞贴壁后能在细胞群体限制腔室底部形成紧密排列的单层细胞，细胞悬液中细胞的浓度需控制在50-100万/ml，也可根据实际情况进行调整。加入细胞30min后，细胞会沉到孔底，此时将悬液吸出，换上无细胞的培养基，沉到0.25mm的第二通孔中的细胞不会被吸出来，而细胞群体限制腔室外面的细胞大多会被吸走。加入细胞2-4h后，细胞会开始贴壁。加入细胞8-12h后，0.25mm孔中的细胞会完全贴壁形成不规则的多边形。

(2)细胞培养及迁移测试。

待细胞完全贴壁之后，将整块细胞布置器件(包括上下两层，也就是第一通孔和底盘)一起揭掉，并换上迁移测试器件(5mm孔的迁移测试腔室)，小心对正(第三通孔在培养皿上的孔中心与第一通孔在培养皿上的控中心对应)并使底部与皿底贴合，之后在各个孔中加入不同条件的培养基。每个孔大约能容纳0.06ml左右的培养基。

由于在将细胞布置器件换成迁移测试腔室的过程中细胞容易干死，所以操作要非常迅速，或者在揭掉细胞布置器件后尽快用排枪在各个孔的位置滴加0.003ml左右基础培养基(无血清，对之后的研究影响很小)，再换上迁移测试腔室(5mm孔的迁移测试腔室)。换好迁移测试腔室并添加不同条件的培养基之后，将培养皿放入二氧化碳培养箱，并将此时记为零时刻，对细胞进行长期的培养和观测。在零时刻，细胞会集中在直径0.25mm的圆形区域内，形成一个群体，随后会由于增殖和迁移而慢慢向外扩增。每隔几个小时拍一张图片，记录细胞群体扩增的过程。

如图5所示，(a)是零时刻的细胞群落的形态示意图，(b)和(c)分别是23h时在1％的FBS条件下和在10％的FBS条件下的细胞群落的形态示意图，可以看出，零时刻细胞群落基本没有迁移，23小时后在1％的FBS条件下的细胞群落比10％的FBS条件下的细胞群落更容易发生迁移。

(3)数据处理，定量得到细胞迁移数据。

得到的实验图像如图5中的(d)所示，将有细胞区域的面积S-cell(图5的(d)中除了黑色区域之外的区域)定义为细胞的增殖水平。在定义细胞的迁移能力时，先做一个无迁移假设，即假设细胞在整个过程中没有迁移，而是相互紧挨着向外生长。这种情况就相当于把所有细胞聚在一个圆内，也就是图5的(d)中的圆(生长区域)的区域内，圆的半径记为R_growth，圆心是有细胞区域中最大连通域的质心。

对于圆外的细胞(图5的(d)的圆之外，非黑色的区域)，可以认为它们完全是迁移出去的，这部分区域叫做迁移区域。因而迁移区域的所有像素点到圆心的距离R_total的平均值减去圆的半径R_growth，得到一个长度量D_migration，那么这个量就可以作为衡量细胞迁移水平的指标，也可以称作迁移距离，即：

D_migration＝Mean(R_total)–R_growth

Mean(R_total)是迁移区域中的每一像素点到圆心的距离的平均值，图5中的(d)中的R_total(i)和R_total(j)表示迁移区域中的第i个像素点和第j个像素点到圆心的距离。

需要注意的是，这里的增殖水平和迁移水平表示的都是视野中整个细胞群体的平均行为。另外，考虑到不同实验组的初始值各不相同，所以需要对结果进行归一化处理。

(4)实验结果。

图5中展示了部分实验结果。10％FBS对照组是正常培养条件(DMEM基础培养基+1％抗生素+10％FBS)，23h后如图5中的(c)所示，细胞相互紧挨着向外生长，几乎没有任何迁移(连续的观测也可证明细胞群落完全是由于增殖而迁移的，但我们在分析时没有使用连续观测的数据)；1％FBS实验组是饥饿培养条件，23h后如图5中的(b)所示，细胞除了增殖之外，还有明显的向外迁移的现象；另外还有一个0.1％FBS的对照组(图5中未示出)，近似于无血清的对照，这种条件下细胞活性很差，迁移和增殖都很微弱。这些定性的结果与我们的预期是相符的。

经过图像处理之后可以得到定量的结果，如图6所示中的(e)和(f)所示。0.1％FBS条件下细胞活性很差，所以无论是增殖水平还是迁移水平几乎都没有什么变化。对于增殖来说，FBS浓度越高，细胞的增殖也就越快。而对于迁移来说，细胞在饥饿的培养条件下会有更强的迁移能力。图6中的(e)的横坐标为Time(时间)，单位是h(小时)，纵坐标为Normalized Area of Cells(细胞归一化面积)，反应了细胞的增殖水平，图6中的(f)的横坐标为Time(时间)，单位是h(小时)，纵坐标为Normalized Migration Distance(细胞归一化迁移距离)，反应了细胞的迁移水平。

第三方面，本发明还提供了一种制作细胞布置器件的方法，包括：

通过构图工艺在预设的第一硅片上形成与所述第一通孔对应的凸台，以作为形成所述第一通孔的第一模具；

以所述第一模具为成形工具，通过注模工艺得到具有与所述第一通孔对应的凹痕的第一未成形器件，去除所述第一未成形器件中凹痕内的部分，以得到所述第一通孔；

通过构图工艺在预设的第二硅片上形成与所述第二通孔对应的凸台，以作为形成所述第二通孔的第二模具；

以所述第二模具为成形工具，通过旋涂工艺，形成具有所述第二通孔的底盘；

将所述底盘固定在所述第一通孔的一端，以得到具有所述细胞群体限制腔室的细胞布置器件。

进一步地，所述将所述底盘固定在所述第一通孔的一端，以得到具有所述细胞群体限制腔室的细胞布置器件，包括：

将所述底盘贴在所述第一通孔的一端后，放入烘箱烘烤预设时长，以使所述底盘粘接在所述第一通孔的一端。

第四方面，本实施例还提了迁移测试器件的制作方法，包括：

通过构图工艺在预设的第三硅片上形成与所述第三通孔对应的凸台，以作为形成所述第三通孔的第三模具；

以所述第三模具为成形工具，通过注模工艺得到具有与所述第三通孔对应的凹痕的第二未成形器件，去除所述第二未成形器件中凹痕内的部分，以得到所述第三通孔。

具体地，细胞布置器件和迁移测试器件的制作方法包括：

(1)模具的制备。用L-Edit绘图，将第一通孔、第二通孔的形状打印在塑料胶片或光学掩膜上，作为曝光掩模，用于后续实验。总共需要三块硅片模具，两块用于制作细胞群体形态限制腔室，一块用于制作细胞培养及迁移测试腔室。三块模具制备过程基本一致，只是掩膜有差异。使用SU8-3050胶，匀胶时以500rpm的转速预甩10s，再以1000rpm的转速甩30s，光刻胶厚度0.2mm左右。在95度电热板上烘30min后，放入曝光机进行曝光，曝光时间需要参照曝光机的帮助文档以及实际光强来确定。之后再在95度电热板上烘30min，显影就可以得到模具。

(2)细胞布置器件和迁移测试器件的制作。细胞布置器件中的第一通孔和细胞迁移测试腔室中的第三通孔，都是通过PDMS注模得到的，前者需要A胶(基质)与B胶(固化剂)的配比为9:1-10:1，后者需要7:1-10:1，他们的厚度都在3mm以上。细胞布置器件中的细胞群体限制腔室是通过PDMS旋涂得到的，A、B胶配比为9:1-10:1，在匀胶机中以1500rpm的转速甩30s，可以得到厚度约为0.1mm的PDMS薄膜。固化时先将三块模具放入70度烘箱中烘30min，之后取出细胞群体形态限制腔室的两块模具，此时PDMS已经固化。在从模具上取下来的具有与4mm孔对应的凹痕的PDMS上用4mm打孔器打孔，小心地将只有第一通孔的细胞布置器件孔对孔贴在底盘上上，放入烘箱中烘过夜，PDMS会继续固化，第一通孔和底盘会粘在一起。

(3)细胞布置器件的表面改性。在向4mm孔(细胞布置器件上的第一通孔)中加入细胞之前，需要进行1min的抽真空和2-10min的等离子体处理，以防止细胞布置器件放入二氧化碳培养箱(37度)之后内部溶解的气体会受热膨胀产生气泡，同时可以使疏水的PDMS表面变为亲水，从而能够顺利地将细胞注入而不会在底部产生气泡。5mm的第三通孔(迁移测试器件)不需要做这样的处理。需要注意的是等离子体处理之后PDMS会慢慢恢复为疏水，所以这一步需要在迁移实验开始前30min内进行。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。