晶片上的實驗室—微流體晶片科技實現仿生的體外三維細胞實驗模型!

微流體裝置是以微量的流體於微小化裝置內進行實驗與檢測,相較於一般裝置的最大優勢在於微流體裝置的尺寸範圍是在微米(micrometer)等級,因此能將實驗微小化達到降低實驗樣本與耗材之消耗,並且透過精準控制實驗條件達到減少實驗變異性以產生更佳的實驗結果。近年來,微流體技術之重要發展方向之一為藉由微流體裝置的輔助,創造出更為仿生之體細胞實驗模型(統稱類器官晶片(Organ-on-chip)),替代或輔助現有之細胞與動物實驗模型,藉此更精準地釐清生物作用機制以及增進藥物測試之準確度。

本院生醫工程與奈米醫學研究所許佳賢副研究員團隊,以先前所開發的懸吊式液滴技術為基礎,開發出一項可在微流體晶片上進行類胚胎體(embryoid bodies, EBs)與腫瘤球體(tumor spheroids, TSs)共同培養之微流體晶片裝置,藉此在晶片上形成仿生之體內腫瘤生長與血管增生的環境。此裝置稱之為「微流體懸吊式液滴球體共同培養裝置(microfluidic hanging drop-based spheroid co-culture device, μ-CCD)」。

圖1:微流體懸吊式液滴球體共同培養裝置操作流程

如圖1所示,此晶片裝置設計有二個流體層,在上層中製作出相鄰八對可形成懸吊式液滴的圓形孔洞,相鄰兩側的孔洞經由最佳化的流道的物理參數設計,可維持懸吊式液滴的穩定性。操作者可在相鄰的二排懸吊液滴中分別置入幹細胞以及腫瘤細胞懸浮液,在重力作用下可分別在二排懸吊液滴中聚集成細胞球體,經過4天培養後,即能生成具有三維結構的類胚體與腫瘤球體。待擬胚體與腫瘤球體形成之後,操作者可藉由破壞上層鄰近懸吊液滴的表面張力,讓類胚體與腫瘤球體的懸吊液滴落入下方流體層中,形成較大的懸吊式液滴,並且在此大的懸吊液滴中,藉由重力促使類胚體與腫瘤球體沉降到懸吊液滴中間底部位置形成物理性接觸,進而繼續第二階段的細胞球體共培養實驗。經過7天的共同培養後,便能在晶片上以一般生物顯微鏡觀察細胞球體,或者將細胞球體自晶片取出,並透過共軛焦顯微鏡觀察三維腫瘤體內的血管新生(圖2),藉由影像分析量化血管新生之效果。

圖2:微流體懸吊式液滴球體共同培養裝置上產生具有新生微血管之三維腫瘤細胞球體
紅色螢光標記:CD31;綠色螢光標記:CMFDA

不同於傳統方式利用臍靜脈內皮細胞進行血管新生實驗只能生成單一種類的血管內皮細胞,使用類胚胎體進行血管新生時,可藉由類胚體內幹細胞多元之分化能力,產生體內血管組織所包含的其他相關細胞種類(例如:外背細胞 (pericyte)),再加上三維腫瘤細胞球體,可形成更類似體內腫瘤血管新生之微環境。因此,此項微流體類器官晶片技術可為腫瘤血管新生研究以及藥物開發提供一項有利的工具。相關研究成果已刊登於Lab on a Chip期刊,並獲為當期期刊封面(2022 Mar 29;22(7):1275-1285)。

文/圖:生醫工程與奈米醫學研究所許佳賢副研究員

Comments are closed.