芝加哥大学(University of Chicago)分子工程研究所(Institute for Molecular Engineering)的研究人员开发了一种新的“芯片上实验室”(lab-on-a-chip)，可以在一周的时间里检测数千个独立的活细胞，在实验室里进行的实验需要100多万步。
这种信用卡大小的微流体装置不仅节省了时间和金钱，而且还让我们得以一窥单个干细胞对不同分子和环境的反应。
当研究人员检查设备上的神经干细胞并分析数据时，他们发现了一些新的规则，这些规则决定了细胞分化或自我更新所需的时间和信号序列。这一发现可能对理解大脑发育或用免疫疗法治疗病人有意义。
Assoc说:“我们想开发一种微流体设备，能够以自动化、高通量的方式对单个细胞进行分类、成像和培养。”该研究的主要作者Savas Tay教授于4月3日发表在《科学进展》杂志上。“我们做到了这一点，现在我们已经了解了干细胞是如何做出决定的。这很令人兴奋。”
开发一种研究细胞的新方法
我们体内的细胞不断地对不同的信号和环境的变化做出反应。例如，在干细胞中，在不同的时间点接收到的信号决定了细胞如何选择它将发展成什么样的细胞。一种信号可能导致干细胞分化成另一种细胞，而另一种信号可能导致干细胞保持其形态。
研究人员目前还没有办法研究身体内单个细胞上的这些信号分子。这种分析可以在实验室里进行，需要花费昂贵、耗时的实验，但最终无法测试所有可能的结果。
微流体装置有小的腔室、隧道和阀门，为研究细胞内的这些反应提供了一个更快、更自动化的过程。但是这些设备只能提供有限数量的房间——这意味着研究人员只能对每个细胞测试一定数量的条件——而且不能让细胞存活到足够长时间来研究它们。
找到一种方法让挑剔的细胞存活
泰和他的合作者开始改变这一现状。他们设计了一种拥有1500个自动化腔室的微流控装置，这比同类装置的100个腔室要高得多。该设备还可以进行一些任务，如细胞刺激、培养、成像和分类，这些之前都属于单独的设备。它可以以不同的方式培养细胞，这意味着它可以同时检测不同类型的细胞。
最后，由于一种将介质扩散到细胞培养中的新技术，该设备还能使细胞存活更长时间。正常情况下，为了让细胞存活，研究人员必须每隔几个小时就更换一次培养基。这种变化会刺激细胞，几次电击后，细胞就会死亡。研究人员的新技术将介质扩散到细胞腔内，这是一个更温和的过程，不会对细胞造成冲击。
在第一个实验中，研究人员研究了不同的信号分子如何影响小鼠神经干细胞的结果。这样的实验产生了数以百万计的数据点，因此泰与芝加哥大学医学和遗传学教授安德烈•Rzhetsky合作，对这个庞大的数据集进行机器学习分析。
他们发现，特定的信号组合协同作用，导致细胞分化，而其他分子关闭这些过程。这些信号的时机也至关重要。研究人员发现，如果一个分子在正确的时间被传递，它可以改变干细胞从分化到自我更新的过程。
“有一些特定的信号顺序是高度优化的，而信号的准确时间很重要，”Tay说。“以前还没有动态监测这些细胞的方法，所以发现和理解这些原理是令人兴奋的。”
接下来，研究人员希望利用该设备来研究类有机物，即来自干细胞的组织培养物，这些干细胞像微小的器官一样自我组织。
最终，像这样的设备可以用于免疫治疗等领域，在这些领域中，病人自身的免疫系统被刺激来帮助对抗疾病。患者的干细胞可以被取出，放入设备中，并被给予正确的分子组合，使其发展成某种谱系，然后再被放回体内。
泰说:“我们希望能够用这个设备解决细胞生物学中的各种问题。”
这篇论文的其他作者包括张策(Ce Zhang)和杜祥林(Hsiung-Lin Tu)，他们曾是泰伊实验室的博士后;Rzhetsky实验室博士后贾庚杰;巴塞尔大学的Verdon Taylor和Tanzila Mukhtar。
引文:“单细胞动力学的超多路分析揭示了分化的逻辑规律。张等，《科学进展》，doi: 10.1126/sciad .aav7959
资助:瑞士系统生物学计划
-这个故事首先出现在分子工程研究所的网站上。