活細(xì)胞的高通量篩選對(duì)于有效藥物的發(fā)現(xiàn)、理解細(xì)胞進(jìn)程的研究、以及推進(jìn)個(gè)性化藥物的安全檢測至關(guān)重要。目前，大多數(shù)基于細(xì)胞的高通量篩選是基于多孔板培養(yǎng)，并輔以復(fù)雜的移液步驟實(shí)現(xiàn)藥物的添加。然而，這種操作步驟繁瑣，特別是針對(duì)較小液滴內(nèi)培養(yǎng)的非貼壁細(xì)胞，對(duì)培養(yǎng)液的頻繁擾動(dòng)會(huì)干擾細(xì)胞的行為，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。如何實(shí)現(xiàn)在不同時(shí)間點(diǎn)向數(shù)千個(gè)液滴平行進(jìn)行程序化的藥物添加，并同時(shí)確保最小的機(jī)械干擾，是細(xì)胞高通量篩選領(lǐng)域中的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

近日，四川大學(xué)馮文騫研究員團(tuán)隊(duì)提出利用光觸發(fā)藥物遞送系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制藥物從固體表面釋放，從而以無機(jī)械干擾的形式將特定的藥物分子添加于細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境。利用偶氮苯衍生物表現(xiàn)出的順反光異構(gòu)性，加上超分子非共價(jià)相互作用的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)在微圖案化的聚合物芯片上進(jìn)行細(xì)胞高通量篩選中藥物的程序化添加。該芯片不僅準(zhǔn)確控制藥物裝載量、調(diào)節(jié)藥物的裝載種類，也克服了裝載和釋放過程中的交叉污染，并利用數(shù)字微鏡器件（DMD）光源的投影特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量液滴單元進(jìn)行獨(dú)立且程序化的進(jìn)程管理。相關(guān)工作以“Compact Micropatterned Chip Empowers Undisturbed and Programmable Drug Addition in High-Throughput Cell Screening”為題發(fā)表在Advanced Materials期刊上，論文的第一作者為四川大學(xué)碩士研究生趙元軼，通訊作者為四川大學(xué)馮文騫研究員。

首先，甲基丙烯酸2-（2-溴異丁酰氧基）乙酯（BrMA）被用作疏水活性單體，通過光引發(fā)的相分離聚合方法在玻璃基底上一步制備具有原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）活性的多孔超疏水聚合物薄膜。薄膜的多孔結(jié)構(gòu)為超疏水/親水性能提供必要的表面粗糙度、有效的藥物負(fù)載面積、以及藥物釋放所需的傳質(zhì)通道。隨后，2-（全氟辛基）乙基甲基丙烯酸酯通過ATRP反應(yīng)在薄膜上聚合，構(gòu)建超疏水、高疏油氟化邊框。在氟化邊框內(nèi)部，4-（甲基丙烯酰氨基）偶氮苯（Azo-MA）分子進(jìn)行聚合度可控的接枝，并與α-環(huán)糊精（α-CD）藥物水溶液進(jìn)行組裝，在氟化邊框內(nèi)部形成親水的藥物負(fù)載區(qū)域。

當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)液滴與該芯片接觸時(shí)，它僅滲透到親水載藥區(qū)域，形成與（一個(gè)或多個(gè)）載藥區(qū)域連接的細(xì)胞培養(yǎng)庫。利用DMD光源對(duì)該獨(dú)立細(xì)胞培養(yǎng)庫內(nèi)載藥區(qū)域進(jìn)行程序化曝光，誘導(dǎo)曝光區(qū)域內(nèi)的Azo-MA分子發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)換和組裝體解離，促使α-CD藥物分子從薄膜內(nèi)部向細(xì)胞培養(yǎng)液滴中擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)無機(jī)械干擾的精確藥物遞送。數(shù)字光處理（DLP）器件的寬投影范圍允許在大量液滴中平行添加藥物，同時(shí)確保每個(gè)液滴都有自己獨(dú)立的曝光程序，為細(xì)胞的高通量平行篩選中無機(jī)械干擾、程序化的藥物添加提供了保障。

圖1 圖案化BrMA-Azo薄膜用于高通量細(xì)胞篩選的示意圖，通過光誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)單個(gè)微液滴內(nèi)無機(jī)械干擾、程序化的藥物添加

構(gòu)筑的Azo-MA接枝薄膜表現(xiàn)出類似于偶氮苯單體的光異構(gòu)化轉(zhuǎn)變，并且接枝前后薄膜的多孔結(jié)構(gòu)沒有改變。在紫外曝光區(qū)域，薄膜上的α-CD分子在120秒內(nèi)完全解離。

圖2 偶氮苯單體接枝多孔聚合物膜的光異構(gòu)化和光調(diào)控的曝光區(qū)域內(nèi)的藥物釋放

當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)液滴與該芯片接觸時(shí)，它僅滲透到親水載藥區(qū)域，形成與載藥區(qū)域連接的細(xì)胞培養(yǎng)庫。由于反式Azo-MA ?α-CD復(fù)合物在可見光或黑暗（組裝狀態(tài)）的水性環(huán)境中的穩(wěn)定性質(zhì)，芯片有效地將薄膜負(fù)載的藥物保持在組裝狀態(tài)而不發(fā)生泄漏。無論微液滴懸掛或夾在藥物釋放芯片下方，特異性的光誘導(dǎo)藥物釋放至細(xì)胞培養(yǎng)液滴中都是可行的，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在懸浮培養(yǎng)或貼壁培養(yǎng)中的無擾動(dòng)藥物添加。

圖3 懸掛培養(yǎng)液滴和夾層培養(yǎng)液滴中光誘導(dǎo)的藥物添加

利用光刻法在設(shè)計(jì)藥物釋放芯片的圖案形狀時(shí)，通過超疏水邊界將Azo-MA接枝的圓形區(qū)域劃分為獨(dú)立的扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)裝載特定的藥物。通過把大小相同的圓形液滴夾在藥物釋放芯片下方，液體同時(shí)滲透到多個(gè)載藥區(qū)，形成與多個(gè)載藥區(qū)域相連的細(xì)胞培養(yǎng)庫。利用DMD光源對(duì)特定的載藥區(qū)域進(jìn)行曝光，可以在液滴內(nèi)精確和程序化地釋放藥物。

圖4 在條件紫外光照下將多種藥物程序化添加到細(xì)胞培養(yǎng)液滴中






審核編輯：劉清