" 初步研究結(jié)果證明，對(duì)于表面細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、分化等行為引起的折射率變化，該微型化芯片有著非常靈敏的反應(yīng)。基于此，可用這款芯片開(kāi)發(fā)基于細(xì)胞的微環(huán)境檢測(cè)器，以進(jìn)行藥物篩選、以及細(xì)胞行為比如細(xì)胞增殖、凋亡、運(yùn)動(dòng)等方面的研究。
我們預(yù)計(jì)它將迎來(lái)廣泛的應(yīng)用前景，并已為它申請(qǐng)了美國(guó)專(zhuān)利（US non-provisional application No. 17/846,056）。除用于和細(xì)胞相關(guān)的檢測(cè)，原則上還可用于可穿戴設(shè)備，比如檢測(cè)生命數(shù)據(jù)或運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。" 香港大學(xué)工程學(xué)院電機(jī)與電子工程學(xué)系、同時(shí)受聘于李嘉誠(chéng)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)學(xué)院的助理教授褚智勤表示。
▲圖 | （從左到右）香港大學(xué)機(jī)械工程系林原教授、褚智勤教授、侯勇（博后）、景紀(jì)祥（博士生）
近日，他和團(tuán)隊(duì)研發(fā)一款基于微型化氮化鎵的光學(xué)芯片，其中所使用的顯微傳感技術(shù)，是他們深耕于細(xì)胞生物傳感器領(lǐng)域的典型應(yīng)用案例。
近年來(lái)，課題組的研究方向之一，在于探索新型微納光電器件在環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物傳感方面的應(yīng)用。其研究始終以現(xiàn)實(shí)中存在的生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題為導(dǎo)向，旨在利用革命性的光學(xué)傳感技術(shù)，來(lái)解決目前細(xì)胞生物檢測(cè)分析領(lǐng)域的難題，以期為微型化氮化鎵光學(xué)芯片在生物學(xué)上的潛在應(yīng)用做貢獻(xiàn)。
（來(lái)源：Advanced Science）
就該工作來(lái)說(shuō)，他們的初衷在于開(kāi)發(fā)一款簡(jiǎn)單易用的活細(xì)胞無(wú)標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)，以對(duì)細(xì)胞功能和微環(huán)境之間的相互作用進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。
據(jù)介紹，活細(xì)胞無(wú)標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，一直是生物分析科學(xué)發(fā)展的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的有源標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)，主要基于熒光分子、放射性核素等標(biāo)記分子。相比之下，無(wú)標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)的好處在于，能最大程度減少靶分子對(duì)細(xì)胞、或組織的影響，讓樣本本征狀態(tài)下的信息得以揭示。
當(dāng)下，在主流的商業(yè)化無(wú)標(biāo)記活細(xì)胞檢測(cè)中，基于電阻抗測(cè)量的微電子傳感技術(shù)，是最具代表性的一種。其原理在于，借助活細(xì)胞和檢測(cè)板孔中微電極的相互作用，去改變電阻抗，最終對(duì)活細(xì)胞狀態(tài)進(jìn)行定量處理。
但是，這種微電場(chǎng)可能會(huì)給一些電信號(hào)敏感的樣品比如神經(jīng)、心肌等，帶來(lái)無(wú)法避免的干擾。最近幾年，表面等離子諧振、共振波導(dǎo)光柵等無(wú)標(biāo)記光學(xué)傳感技術(shù)，憑借其基于倏逝波的生物友好性，得到了學(xué)界的廣泛研究，已被用于生物分相互作用和活細(xì)胞活動(dòng)檢測(cè)中。
▲圖 | 微型化氮化鎵芯片可用于集群細(xì)胞的粘附鋪展行為實(shí)時(shí)追蹤（來(lái)源：Advanced Science）
不過(guò)，作為一種高精密的光學(xué)測(cè)量手段，它對(duì)設(shè)備搭建、場(chǎng)地規(guī)模、測(cè)試環(huán)境等要求極高，也讓多場(chǎng)景、以及復(fù)雜環(huán)境下的推廣應(yīng)用受到限制。
基于上述問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)和南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院李攜曦教授、香港大學(xué)機(jī)械工程系林原教授合作開(kāi)發(fā)出一種微型光學(xué)顯微傳感系統(tǒng)，具備高度集成、低成本的 " 一體化 " 優(yōu)勢(shì)，在空間受限的高濕度細(xì)胞培養(yǎng)箱中，也能以無(wú)標(biāo)記的方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析細(xì)胞活動(dòng)。
該系統(tǒng)所搭載的芯片，則具備片上光電探測(cè)能力，對(duì)于芯片表面的集群細(xì)胞活動(dòng)引起的折射率變化，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)解讀。
另?yè)?jù)悉，當(dāng)給該芯片集成一個(gè)微型的微分干涉顯微鏡，還可對(duì)細(xì)胞形貌和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在線追蹤。
借助該系統(tǒng)，可對(duì)細(xì)胞行為進(jìn)行定量識(shí)別和分析，比如沉降、黏附、伸展、收縮；針對(duì)藥物活性的分析篩選、以及免疫細(xì)胞的分化進(jìn)程，也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的定量追蹤。
近日，相關(guān)論文以《一種多功能，生物培養(yǎng)箱可兼容的單片氮化鎵光電器件用于無(wú)標(biāo)記檢測(cè)細(xì)胞生理活動(dòng)的光學(xué)芯片顯微傳感系統(tǒng)》（A Versatile, Incubator-Compatible, Monolithic GaN Photonic Chipscope for Label-Free Monitoring of Live Cell Activities）為題，發(fā)表在 Advanced Science 上 [ 1 ] 。侯勇、景紀(jì)祥擔(dān)任第一作者，褚智勤、李攜曦和林原擔(dān)任共同通訊作者。
▲圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Science）
審稿人均非常欣賞此次開(kāi)發(fā)的低成本、多功能的細(xì)胞功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)能和細(xì)胞培養(yǎng)箱可兼容的 " 一體化 " 優(yōu)勢(shì)予以點(diǎn)贊，同時(shí)高度認(rèn)可該工作的重要性、創(chuàng)新性以及學(xué)術(shù)性。
可以 " 實(shí)時(shí)追蹤 " 免疫細(xì)胞的芯片
據(jù)了解，此次工作建立在褚智勤團(tuán)隊(duì)和李攜曦課題組之前的合作成果 " 微型化氮化鎵芯片測(cè)量液體折射率 " 的基礎(chǔ)之上 [ 2 ] 。
考慮到合作團(tuán)隊(duì)前期開(kāi)發(fā)的單片集成微型化氮化鎵光電芯片，在探測(cè)外部環(huán)境的折射率上具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、探測(cè)范圍廣等一系列優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，器件的小型化也便于其在更多場(chǎng)景中使用，故他們嘗試將研究方向擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
由于細(xì)胞的不同行為通常會(huì)伴隨著其內(nèi)部折射率的變化，且這種核心的生物物理指標(biāo)被廣泛用于表征細(xì)胞的生理行為和狀態(tài)。因此，雙方進(jìn)一步把研究目標(biāo)鎖定在細(xì)胞行為的監(jiān)測(cè)上，希望通過(guò)對(duì)細(xì)胞折射率的監(jiān)測(cè)，來(lái)反饋細(xì)胞對(duì)外界環(huán)境刺激下的不同反應(yīng)，進(jìn)而為生物體內(nèi)一些疾病探測(cè)和預(yù)防提供量化的詳細(xì)信息。
確定好目標(biāo)之后，他們開(kāi)始進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，首先在微型化氮化鎵芯片表面培養(yǎng)細(xì)胞，并記錄細(xì)胞在不同時(shí)間下的黏附、鋪展?fàn)顟B(tài)所對(duì)應(yīng)的芯片感應(yīng)光電流，進(jìn)而觀測(cè)光電流信號(hào)的變化規(guī)律。
▲圖 | 微型化氮化鎵芯片應(yīng)用于在線分析抗癌藥物 - 癌細(xì)胞相互作用（來(lái)源：Advanced Science）
然后，分析其是否與文獻(xiàn)報(bào)道的細(xì)胞內(nèi)折射率變化規(guī)律一致。在預(yù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)觀察不同時(shí)間下的細(xì)胞形態(tài)時(shí)，總是需要將其從細(xì)胞培養(yǎng)箱中取出，并置于顯微鏡下進(jìn)行觀察，而細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)外環(huán)境溫度差異容易造成測(cè)量信號(hào)誤差。
為解決這一問(wèn)題，他們想出的策略是：搭建小型化的顯微鏡裝置，并使其能被輕松地放置于一般的細(xì)胞培養(yǎng)箱中、從而進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)探測(cè)與細(xì)胞形貌觀察。事實(shí)證明，這大大拓展了系統(tǒng)的可用性。
在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，合作團(tuán)隊(duì)遇到一個(gè)很有意思的問(wèn)題：由于需要探測(cè)細(xì)胞不同生長(zhǎng)狀態(tài)，他們最開(kāi)始在細(xì)胞培養(yǎng)箱外，利用芯片對(duì)初始狀態(tài)的細(xì)胞進(jìn)行探測(cè)后，便放回到培養(yǎng)箱中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)，然后定時(shí)取出進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)芯片進(jìn)行光電流信號(hào)讀取，這時(shí)候測(cè)量到的光電流信號(hào)總是波動(dòng)很大，且沒(méi)有規(guī)律性。
經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試和分析，最終發(fā)現(xiàn)是芯片自身對(duì)環(huán)境溫度比較敏感造成的。雖然這是一個(gè)很小的問(wèn)題，但有時(shí)候這些小問(wèn)題往往會(huì)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)造成很大的影響，這也說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)中要注意每一個(gè)細(xì)節(jié)，細(xì)節(jié)往往決定成敗。
結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析，他們又設(shè)計(jì)出一套小型化的微分干涉顯微鏡裝置，來(lái)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。另外，獲取的圖像也可從另一個(gè)角度證明：芯片光電流的變化是由細(xì)胞形態(tài)變化引起的，從而驗(yàn)證了微型化氮化鎵芯片在探測(cè)細(xì)胞行為方面的可靠性。
此外，他們進(jìn)一步探究了不同藥物刺激下細(xì)胞的一系列行為變化，證明該芯片在藥物篩選方向上的適用性。最后，利用該芯片對(duì)免疫細(xì)胞分化的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)追蹤。
可用于癌癥初篩并計(jì)劃推廣到臨床
據(jù)介紹，片上集成化光電器件一直是生物微電子傳感領(lǐng)域的熱門(mén)方向。實(shí)現(xiàn)生物檢測(cè)設(shè)備的微型化、功能多樣化、測(cè)量高通量化一直是領(lǐng)域內(nèi)的研究難點(diǎn)。
基于此，該課題的后續(xù)方向主要有兩個(gè)：一是硬件制備方面，比如芯片的進(jìn)一步小型化和高通量測(cè)量。目前，研究人員所用的芯片尺寸是 1mm*1mm，比較適合研究集群細(xì)胞的行為。
但是，對(duì)于單細(xì)胞測(cè)量和多樣本同時(shí)在線測(cè)量確是無(wú)能為力的。因此，他們計(jì)劃在不影響靈敏度的前提下繼續(xù)把芯片做小，比如將尺寸縮小到 100 μ m *100 μ m。
▲圖 | 微型化氮化鎵芯片應(yīng)用于免疫細(xì)胞分化過(guò)程在線監(jiān)測(cè)。（來(lái)源：Advanced Science）
二是打算將這種芯片陣列化，從而實(shí)現(xiàn)高通量單細(xì)胞行為檢測(cè)。目前，該芯片陣列的制備已經(jīng)取得一定進(jìn)展?？赏ㄟ^(guò)芯片陣列實(shí)現(xiàn)其他的生物功能檢測(cè)，比如結(jié)合微流控實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞折射率的高通量檢測(cè)。
利用這種方法，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞種類(lèi)的鑒別比如癌細(xì)胞檢測(cè)等，這意味著它能用于癌癥的初篩，從而為臨床診斷提供量化依據(jù)。但是，如何把新技術(shù)轉(zhuǎn)化到臨床上使用，是他們接下來(lái)要追求的夢(mèng)想。
參考資料：
1.Hou, Y., Jing, J., Luo, Y., Xu, F., Xie, W., Ma, L., ... & Chu, Z. ( 2022 ) . A Versatile, Incubator ‐ Compatible, Monolithic GaN Photonic Chipscope for Label ‐ Free Monitoring of Live Cell Activities. Advanced Science, 2200910.
2.ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 44, 49748 – 49754
