[发明专利]将多细胞排列约束在稳定的、定态的、和可复制的空间构型中的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及细胞生物学领域，并可用于生物芯片、目标化合物的筛选、诊断学、以及细胞/基因治疗。具体地说，本发明涉及获得具有稳定的、定态的、和可复制的空间构型的多细胞排列的方法和装置。

背景技术

培养的细胞采用随机的空间组构，在所述空间组构中细胞的定位是不可预见的。细胞被永久地拉动和推动着。它们因而根据细胞间相互作用的波动而运动。还没有工具能够控制这些多细胞排列中的细胞的位置和形状。

有一些工具可使细胞彼此分离开并控制它们的形状：微图案化(micro-patterning)。据此，可以通过将细胞外基质蛋白移植在固体支撑物上来制备粘附性图案(adhesive patterns)。那些蛋白诱导细胞粘附，并促使细胞附着和展平在固体支撑物上。因此，可将细胞约束在正方形、圆形、三角形、或更复杂的几何形状中，几何形状的尺寸与细胞的尺寸相对应。于是所有细胞都具有了相同的形状，甚至可以采用非常可复制的内部组构。在PCT申请WO 2005/026313中已公开了合适的微图案。然而，以此方式受到约束的细胞被隔离开，并不与其它细胞进行直接的接触。因此，为了避免固定在支撑物上的细胞之间的任何接触，通过周围的斥细胞区(cytophobic region)将粘附性图案上的每个细胞与其它细胞隔离开。粘附性图案的尺寸要使得每个单独的细胞都能够辅开。这是这个技术的主要缺点。

事实上，通过调节细胞的尺寸、形状、以及位置来控制组织的机械和功能性粘着的生物学机制不仅要依靠细胞与细胞外基质的锚着，还要依靠细胞与邻近细胞的附着。除了它们的机械作用之外，细胞-细胞相互作用还有助于调节与增殖、分化、以及凋亡同样重要的细胞活动的生物化学信号传导途径。为了在细胞培养中复制组织中的细胞条件，因而需要两类接触：与细胞外基质的接触、和细胞之间的接触。

为了达到对一群来自一种个体细胞的几个细胞的形状控制，最简单的解决方法是使用较大的微图案(micro-pattern)(Nelson和Chen，2002，FEBS Letters，514，238-242)。

然而，在这一背景下，微图案化技术达到了它的局限。事实上，两个细胞约束在同一个图案上时，它们可以建立两类接触(与粘附性图案的细胞-基质接触，和与邻近细胞的细胞-细胞接触)，但是它们还可以移动，并例如占据另一个细胞的位置。因此，它们倾向于围绕着彼此移动。它们不采用机械平衡来使它们稳定在一个定态的构型中。有专门讲述一对细胞在微图案上的移动的科学文章(Brangwynne等，2000，In Vitro Cell Dev Biol Anim，36，563-5；Huang等，2005，Cell Motil Cytoskeleton，61，201-213)。另外，细胞位置、细胞-细胞接触区的位置和尺寸没有受到控制，所以极性和内部组构也是如此(Nelson和Chen，2002)。在Huang等，2005中，作者观察到在正方形图案上的两个NIH 3T3细胞没有围绕着彼此移动，并在正方形的对角之间形成了在对角线上延展的直的细胞-细胞边界。

Nelson等人开发了另一个系统来控制细胞的位置和细胞-细胞接触(Nelson和Chen，2002，同上；Nelson和Chen，2003，J Cell Science，116，3571-3581)。细胞被约束在深度为约10μm的琼脂糖微孔中。所述微孔具有领结的形状。琼脂糖阻止了蛋白质吸附和细胞粘附。当有两个细胞存在于微孔中时，每个细胞各自位于领结形状的两个三角形中的一个之中。微孔的深度和它们的琼脂糖组成将细胞约束在三角形中，并且细胞不能跨出移动至另一半的三角形中。然而，在这样的领结状微孔中，肌动蛋白的结构看来没有被很好地控制。另外，细胞间的接触区被收窄到两个三角形之间的瓶颈处，而且为了防止细胞移动至另一半的三角形中，瓶颈必须是窄的。另外，细胞没有处于机械平衡。事实上，是领结状微孔的形状约束了细胞的位置。因此，细胞构型没有基于细胞之间的机械性相互作用。所以，所述构型是人工制造的，而且没有复制组织中的细胞的生理条件。

因此，对于获得具有稳定、定态和可复制的空间构型、并任选具有受控的内部细胞组构的多细胞排列的方法和装置，有强烈的需求。

发明内容