液滴微流控技術為植物細胞生物力學提供新的研究方法

2020-12-20 生物谷

 

 

多年來，科學家們一直缺乏合適的實驗工具用於植物細胞生物力學的研究。設計用於封裝單個細胞的微流控裝置市場已經被證實在動物研究中擁有巨大的優勢，現在也在植物生物學領域顯現出巨大的潛力。來自佛蒙特大學（University of Vermont）植物生物學系的研究人員正在利用這項技術加強對生物力學的研究，將原生質體封裝到瓊脂糖凝膠中去，以精確控制單個植物細胞的物理微環境。

儘管細胞和組織力學在植物發育中的意義早已得到認可，但對植物細胞生物力學的研究仍舊存在挑戰。纖維素細胞壁的普遍存在和質外體連續性賦予植物組織獨特的機械耦合水平。從理論上講，能夠幫助植物組織在多細胞距離上精確、瞬間傳遞應力-機械信息。然而，質體外連續性也使得單個細胞水平上的響應解釋和機械變量的分離成為問題。

現在可以使用複雜的工具來研究植物的基因結構和亞細胞過程，但是在細胞水平上研究植物生物力學則少之又少。科學家們試圖在受控機械環境下研究植物結構，例如，通過光彈性建模，但這並不容易，因為任何組織水平的介入都會干擾系統的應力機制。科學家們也嘗試用高速視頻顯微照相術來進行應力釋放實驗，但是也非常難解釋。液滴微流控的曙光為操縱單個細胞的新方法打開了大門，將它們捕獲在各向同性和同質的機械環境中，在這種環境下可以更有效地隔離變量。一旦封裝在水凝膠珠子中，細胞與受物理影響的相鄰細胞隔離，並且可以受機械力控制。

利用植物細胞生物力學的新方法

植物生物學系的早期研究主要集中在通過均質油和水來人工生產液滴乳液，但成效有限。在開發投入商業使用的微流控液滴系統（Dolomite Microfluidics）之前，研究人員會繼續評估使用壓力驅動的霧化過程以生成液滴流，該系統能夠可靠且可重複地將單個細胞封裝在水凝膠珠子中。該系統允許植物生物學系採用新方法研究植物細胞生物力學，並將活的植物原生質體封裝在精確尺寸的球形水凝膠珠子中。

原生質體的分離和封裝

細胞壁不是均勻的各向同性環境。自然結構化的一致取向使細胞成為細長條狀，限制其生長。在封裝之前，從懸浮培養系統中除去細胞，並使用酶解除去細胞壁，由此除去生長物理屏障。產生的球形原生質體不具備包含細胞壁的天然細胞內在極性，可用於液滴封裝。

使用具有雙試劑、四通道玻璃連接晶片的微流控液滴系統生成瓊脂糖微珠

合成流體-礦物油加表面活性劑（連續相），培養基和瓊脂糖中活的原生質體（分散相）被送入液滴晶片，瓊脂糖和原生質體接觸，並在持續流動的礦物油交叉處立即裂解成液滴。液滴直徑通過調節不同相的流速來進行控制，產生單分散瓊脂糖液滴流，使微晶片進入冷卻的礦物油浴內，並在此固化。從油中分離後，將微珠懸浮在培養基中，用於實驗研究以調查植物細胞生物力學，例如，細胞支架的變化響應受控機械載荷的應用。

打造堅實的基礎

最初的結果表明該技術有可能是支持植物生物力學研究的新方法，一秒內生成130個大小一致的球形水凝膠珠子，並產生具有良好細胞活力的單個原生質體的封裝。該物理系的研究人員正在著手進行下一階段的開發，優化該過程以提高細胞存活率並加強瓊脂糖微珠。實現一致的細胞存活率是一大特別的挑戰，因為沒有細胞壁，原生質體將變得特別脆弱。為了改善這一情況，實驗室目前正在試驗不同的油/表面活性劑組合和一種親氟微流控晶片。同時，該團隊正在尋找改變水凝膠珠子表面以提高抗張強度的方法。通常，隨著封裝細胞的生長，它們最終會通過瓊脂糖微珠破裂，加固微珠則可能會使發育中的細胞受到約束。解決上述問題的辦法之一是將聚合電解質塗層疊加到水凝膠表面，生成可以滲透氧氣和營養物質的微珠，其強度也足以抵抗細胞內可能產生的高細胞膨壓。

前景光明

雖然微流控裝置已經成功用於動物細胞的封裝，但直到最近才將這項技術應用於植物生物學領域。在植物生物學領域，佛蒙特大學是該技術的早期採用者，並證明了微流控封裝的潛力，以支持研究植物生物力學的新方法，允許生成大小一致的球形水凝膠微珠，並封裝具有良好細胞活力的單個原生質體。該系目前正基於取得的初步成功，優化流程並嘗試進一步改善液滴微流控應用於植物細胞生物學的方法。(生物谷Bioon.com）


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