細胞外化学微小環境のマイクロフルイディクス操作とその細胞解析への新たな応用についてのレビュー

A review on microfluidics manipulation of the extracellular chemical microenvironment and its emerging application to cell analysis.

• Peng Chen
• Shunji Li
• Yiran Guo
• Xuemei Zeng
• Bi-Feng Liu

抄録

細胞外化学環境を時空間的に操作し、細胞応答を同時にモニターすることは、基本的な生物学的プロセスを探求し、基礎となるメカニズムの理解を深める上で重要な役割を果たしています。操作戦略の急速な進歩と有望な成功にもかかわらず、多くの課題は、細胞のサイズが小さいと化学分子の急速な拡散のために残されています。幸いなことに、新興のマイクロ流体技術は、正確に細胞外化学物質の微小環境を制御するための強力なアプローチとなっており、その統合能力、自動化、およびハイスループット能力から恩恵を受けるだけでなく、サブミクロンまでの高解像度。ここでは、細胞外化学物質環境のマイクロフルイディクス操作の最近の進歩について、以下の点を含めてまとめています。i）対流、拡散、液滴ベースのマイクロフルイディクス、および表面化学修飾によって実現された化学物質の微小環境の空間的な操作、ii）フロースイッチング/シフト、移動/層流を横切るセルを流れる、統合されたマイクロバルブ/ポンプ、および液滴操作によって有効に化学物質の微小環境の時間的な操作。iii）結合戦略とオープンスペースマイクロフルイディクスによって実装された化学的微小環境の時空間的な操作、および iv）化学的微小環境のハイスループットな操作。最後に、上述した技術的進歩の代表的な応用例を簡単に紹介し、細胞移動、細胞シグナル伝達、細胞分化、多細胞解析、薬物スクリーニングなどの細胞ベースの解析を行います。さらに、生物学的・生物医学的研究と応用のニーズを満たすために、細胞外化学的微小環境のマイクロフルイディクス操作の将来的な改善についても議論する。

Spatiotemporal manipulation of extracellular chemical environments with simultaneous monitoring of cellular responses plays an essential role in exploring fundamental biological processes and expands our understanding of underlying mechanisms. Despite the rapid progress and promising successes in manipulation strategies, many challenges remain due to the small size of cells and the rapid diffusion of chemical molecules. Fortunately, emerging microfluidic technology has become a powerful approach for precisely controlling the extracellular chemical microenvironment, which benefits from its integration capacity, automation, and high-throughput capability, as well as its high resolution down to submicron. Here, we summarize recent advances in microfluidics manipulation of the extracellular chemical microenvironment, including the following aspects: i) Spatial manipulation of chemical microenvironments realized by convection flow-, diffusion-, and droplet-based microfluidics, and surface chemical modification; ii) Temporal manipulation of chemical microenvironments enabled by flow switching/shifting, moving/flowing cells across laminar flows, integrated microvalves/pumps, and droplet manipulation; iii) Spatiotemporal manipulation of chemical microenvironments implemented by a coupling strategy and open-space microfluidics; and iv) High-throughput manipulation of chemical microenvironments. Finally, we briefly present typical applications of the above-mentioned technical advances in cell-based analyses including cell migration, cell signaling, cell differentiation, multicellular analysis, and drug screening. We further discuss the future improvement of microfluidics manipulation of extracellular chemical microenvironments to fulfill the needs of biological and biomedical research and applications.

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