微孔阵列的可控制备及其在细胞三维培养方面的应用

发布时间：2020-04-03 06:01

【摘要】：恶性肿瘤作为世界上致死率最高的疾病之一,对人类生命健康造成的威胁日趋严重。为了攻克肿瘤治疗难题,世界各国每年在抗肿瘤药物的研发上均投入了大量的人力、物力和财力。虽然新研发的抗肿瘤药物数目众多,但是临床转化率较低。由于药物筛选和药效评估的研究模型目前主要依靠体外肿瘤细胞二维(2D)培养,细胞2D培养与体内复杂的生理病理环境相比,具有显著性差异,从而导致体外研究与临床试验结果出现差异。相较于肿瘤细胞2D培养,三维(3D)肿瘤球更接近真实的体内微环境,能够还原体内生理条件下细胞与细胞及细胞与细胞外基质(ECM)之间的相互作用,以及实体瘤中的营养物质、O_2、pH、代谢废物和生长因子梯度。因此,3D肿瘤球逐渐成为最具代表性的体外细胞培养模型之一。目前,国内外科学家们已经开发出了很多行之有效的3D肿瘤球生成和培养方法,例如:悬浮培养法、非粘附表面培养法、悬滴法和微流体法等。然而这些方法均存在吞吐量低、成本高、需要特殊设备及专业操作人员等诸多问题,严重制约了3D肿瘤球的简单、大批量、可控制备。近年来,由于微孔阵列的结构优异性,能促进细胞自发聚集,实现尺寸均一、大小可控的3D肿瘤球大规模生成和培养,受到了诸多研究者的关注。微铣削法、气体膨胀法、表面张力介导法、光刻法等多种方法已经成功地应用于微孔阵列的制备。然而现有的方法存在需要特定设备、耗时长等一系列问题,无法实现微孔阵列的简单可控制备。为了解决上述问题,本研究提出了一种利用商业化不锈钢通孔网将微球阵列化后作为模板,简便、高效制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)微孔阵列的方法,并将其应用于3D肿瘤球的生成,成功实现了满足药物筛选所需HepG2肿瘤球的高通量生成和培养。本实验开展了微孔阵列制备和尺寸结构调控、3D肿瘤球生成和培养、3D肿瘤球回收,以及抗肿瘤药物敏感性检测四个方面的研究。具体实验结果如下:1.基于树脂微球和不锈钢通孔阵列,简单、高效地制备了微球阵列,并以其为模板,成功实现了球腔型微孔阵列和通孔阵列的大规模制备。研究结果表明:通过调节微球尺寸,能简单实现300-700μm范围内任意球腔尺寸PDMS微孔阵列的制备;通过控制甩胶速度,能简单实现微孔开口尺寸及球腔结构的精确控制;通过将微球阵列制备成夹层结构,可实现PDMS通孔阵列的制备。本实验所制备的300、400、500、600、700μm球腔型微孔阵列和通孔阵列,均具有尺寸均一、排列高度有序的特点。2.利用球腔型PDMS微孔阵列,成功实现了不同尺寸HepG2肿瘤球的可控培养。实验结果表明:通过改变微孔尺寸,实现了224.2±10.8、320.0±10.8、349.8±11.1、380.1±24.5和410.4±15.4μm 5种尺寸HepG2肿瘤球的简单、可控、高通量生成和培养。培养3天后,细胞活力均在92%以上,能够满足生物医疗领域研究的需求。3.利用PDMS通孔阵列,成功制得通孔肿瘤球培养芯片,用于3D肿瘤球培养和低损伤回收。实验结果显示:利用通孔肿瘤球培养芯片成功制备了尺寸均匀的3D肿瘤球;利用倒吹的方法,能够回收得到细胞活力高、骨架完整且连接紧密的3D肿瘤球细胞。4.利用微孔阵列培养的HepG2肿瘤球,进行了抗肿瘤药物阿霉素(Dox)的药物敏感性检测。实验结果表明:3D肿瘤球中细胞的存活率随药物浓度的增大而下降,当Dox浓度超过半数致死量(LC50 8.0μg mL~(-1))时,3D肿瘤球的生长受到明显抑制。因此,本实验所提出的3D肿瘤球简单、高效生成和培养方法,有望在抗肿瘤药物筛选和药效评估等生物实验中大规模推广应用。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q813.11

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