ACS Nano┃基于微环境控制的微图案化微流控芯片模型（MMMM）原位仿生研究

英文原题：Microenvironment-Controlled Micropatterned Microfluidic Model (MMMM) for Biomimetic In Situ Studies

通讯作者：郑国侠, 大连大学；张兴才，Harvard University

作者：Yunhua Wang (王云华), Ling Lu (卢玲), Guoxia Zheng (郑国侠), Xingcai Zhang (张兴才)

粘附是某些生物体生命过程中必不可少的一个环节。许多生物都可以通过不同的方式粘附到各种各样的表面上。多细胞的生物通常有特殊的结构或器官来实现吸附功能，如壁虎脚掌的吸附结构和章鱼的吸盘。单细胞层面，通常通过细胞表面分子与材料表面的分子间相互作用力来实现吸附，如T细胞表面整合素和细菌表面的多糖和糖蛋白分子。对于每年导致280万人感染的蓝氏贾第鞭毛虫，吸附是其生活周期中的重要环节，它需要粘附到人的小肠才能生存并导致疾病。贾第虫的独特之处在于，作为一个单细胞真核生物，它的吸附不仅仅依赖于分子间的相互作用，它的腹侧还有一个圆形的吸盘状结构（图1a），与章鱼爪的吸盘结构非常类似，并在吸附过程中发挥类似的作用 。深入了解不同贾第虫吸附过程中涉及的不同的吸附机制及其对贾第虫吸附作用力的贡献程度，将有助于我们了解贾第虫的致病机制并促进药物的研发。

研究表明，贾第虫的吸附过程中主要涉及三类非特异性相互作用力：由于腹侧吸盘产生的吸力、通过腹面侧嵴收缩产生的抓握力和包含范德华力和电弹力的接触力（图1b）。然而，由于条件限制，此前的研究中通常只关注其中一种而忽略其他力的作用，因而忽视了贾第虫的吸附作用是多种作用力共同作用的结果这一事实。同样由于实验方法的限制，此前的研究工作，大多数都在非最适宜的气体、温度、营养、pH等条件下进行。由于上述原因，此前的研究结果可能会比较片面或不能正确反映贾第虫的吸附作用。

图1. 贾第虫的结构和参与吸附过程的作用力

针对这一问题，哈佛大学的张兴才博士和大连大学的郑国侠、王云华博士等人构建了一种可以严格控制多种微环境因素（osmotic-pressure, pH, excretion, nutrition, gas, ionic-strength, flow-rate and temperature, OPENGIFT）的微流控芯片来模拟肠道微氧环境中贾第虫对剪切力作用的响应。芯片包括一个能够产生流速梯度的微流控通道网络（Resistance network）以及下游的培养室（Flowing chamber）（图2）。

图2. 寄生虫-人体吸附的仿生原位研究示意图

通过微流控通道网络，在下游培养室中产生不同大小的流速、产生剪切力梯度。当总流速为720 μL/min时，下游通道内可产生6.95- 46.83 Pa 的剪切力梯度（图3a-d）; 总流速为2000 μL/min时, 剪切力梯度为51.72-82.81 Pa（图3e-g）。

图3. 微流控通道网络的模拟计算及不同流速下培养室中流剪力的分布模拟

培养室的底面设计为三种不同的物理表面，用于分析贾第虫吸附过程中不同种类的吸附力：在玻璃平面表面上参与贾第虫吸附的作用力是吸盘吸力和表面接触力；在微柱表面的作用力主要是抓握力和表面接触力；在特氟龙表面的作用力主要是吸盘吸力（图4）。

图案I是微柱和玻璃平面的组合（图4a,b）；图案II是特氟龙和玻璃平面的组合（图4d,e）。两种不同表面呈锯齿状排列，因此可以在同等条件下检测贾第虫在不同表面的吸附状态，减少了温度差异、流速波动、营养、贾第虫培养状态差异等因素对结果的影响。

图4. 培养室表面图案设计原理及实物图。(a) 图案 I: 玻璃平面和微柱的组合; (b) 图案I的扫描电镜图; (c)微柱（扫描电镜）; (d) 图案 II: 玻璃平面和特氟龙表面的组合;  (e，f) 特氟龙图案 (光学显微镜); 贾第虫在玻璃表面（g）、微柱表面（h）和特氟龙（i）表面的电镜照片。

研究中检测了贾第虫在不同表面上的吸附力大小，并据此计算出贾第虫总的吸附力为49.58 Pa，其中吸盘吸力为22.66 Pa，抓握力为12.52 Pa，表面接触力为14.4 Pa。

图5. 贾第虫滋养体在图案I（微柱和玻璃平面）和图案II（特氟龙和玻璃平面）表面的吸附

研究中提出用 “吸附贡献率”，即不同的作用力对贾第虫总吸附力的贡献度，衡量该作用力在贾第虫吸附过程中的重要程度。三种力对总吸附力的贡献度分别为46%、25%和29%。

图6 . 不同作用力的“吸附贡献率”

本研究中，通过微制造技术与微流控技术的结合，构建了可以严格控制多种微环境因素（osmotic-pressure, pH, excretion, nutrition, gas, ionic-strength, flow-rate and temperature，OPENGIFT）的微流控芯片，最大程度上模拟了体内肠道微环境。相对于已有的报道，本研究的结果更能反映贾第虫在体内吸附时的状态。本研究通过不同表面的设计，将贾第虫吸附力分解并分别定量测量，了解不同作用力大小和不同机制对吸附作用的贡献。相对于此前针对单一种力的研究，本研究的结果能更好地揭示吸附作用机制的全貌。这种模拟研究是传统的2D或3D细胞培养、甚至动物模型研究所不能完成的。

本研究的相关结果近期发表于ACS Nano 上，本项目得到了国家自然科学基金 (No. 41476085, No. 81471807) 和辽宁省优秀人才基金 (LJQ2015005) 的支持。

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Microenvironment-Controlled Micropatterned Microfluidic Model (MMMM) for Biomimetic In Situ Studies

Yunhua Wang, Ling Lu, Guoxia Zheng*, Xingcai Zhang*

ACS Nano, 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c02701

Publication Date: July 23, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）