分离和调节单细胞生物动力学的潜力在药物设计和筛选中具有重要意义。然而，单细胞药物筛选中预先存在的实验报告必须提供多剂量梯度研究，以准确预测药物 - 单细胞相互作用和性能。在《微系统和纳米工程》的一份新报告中，沈少飞和中国生命科学和医学领域的一个科学家团队通过创建一个多浓度梯度发生器解决了这个问题。
他们将梯度发生器与单细胞捕获阵列相结合，以了解单剂量或联合剂量的5-氟尿嘧啶和顺铂抗癌药物对人肝癌细胞和人乳腺癌细胞的影响。该仪器提供了一个简单可靠的平台，可以在单细胞水平上研究不同候选药物的正确剂量，以筛选单药化疗药物并有效地形成组合治疗方案。
开发新的药物筛选平台
药物筛选方法为预防感染和治疗人类疾病提供了可见的解决方案。广泛的研究工作表明，微流控芯片技术提供了一个易于访问和生物相容性的微量分析平台。大多数微流体系统提供了一种强大的仪器来研究单细胞水平的细胞群，同时促进不同药物浓度下的剂量依赖性细胞反应。在这项工作中，Shen及其同事优化了多级微流控装置与单细胞捕获阵列相结合，以生成跨多个药物剂量的单细胞微流体药物筛选平台。‘
在这项工作中，研究人员计算了理论上产生的浓度梯度，并在荧光实验中进行了验证。他们使用顺铂和5-氟尿嘧啶;两种化疗药物作为单细胞水平上对人乳腺癌细胞和人肝癌细胞进行单药或多药联合化疗的模型药物。该系统为研究药理功能和进行单细胞研究提供了一种灵活且监管良好的仪器。
设计微流控平台
Shen和团队设计并构建了包含24个单细胞捕获装置的微流体平台。他们在设备中生成了一系列成功的药物浓度梯度，其中浓度梯度生成器可以联合筛选两种药物，使他们能够研究单一药物和多种药物组合以及最佳剂量。
生物工程师促进了单细胞捕获装置包含带有细胞和试剂门户的二维阵列，用于细胞悬液和试剂导入，如同一团队之前的一项研究所述。
三浓度梯度形成
研究人员测试了该设备通过数值模拟和荧光素实验建立三个浓度梯度的能力，以探索24个微腔中的药物分布。使用倒置显微镜，他们收集荧光图像并使用成像软件来了解为每个腔室收集的数据。
模拟显示了在设计装置中形成三组相同药物浓度及其百分比。在模拟的同时，他们还进行了荧光素实验，以验证24个液体储存室中的浓度梯度分布。他们从入口向芯片注入两种荧光剂，并观察实验结果如何与数值模拟结果一致。
太极螺旋混合器诱导的微流体中的迪恩流
该团队在浓度梯度发生器中使用了太极螺旋混合器，并将Dean流纳入弯曲通道中，用于流体调节的微流体应用，作为一种革命性的方法，可以高效且经济地混合，纯化和专注于反应。
他们通过形成三个浓度梯度，获得了稳定有效的单细胞药物筛选多药浓度梯度，构建了单细胞水平药物筛选的多浓度平台，观察抗癌药物顺铂和5-氟尿嘧啶的组合和单独效果。
单细胞药物相互作用的药物筛选
生物工程师应用了一种含有两种细胞类型不同浓度的培养基的药物;人乳腺细胞癌细胞和人肝癌细胞在单细胞捕获微流体装置和传统培养皿中。使用双荧光染色方法;吖啶橙和碘化丙啶，他们验证了细胞活力，并观察了暴露于不同药物浓度时细胞活性的变化，以显示肿瘤细胞的存活率如何随着培养装置中药物浓度的降低而提高。
虽然细胞活力与健康细胞中的药物剂量呈负相关，但肿瘤细胞在单细胞水平上不受细胞相互作用的影响，以有效研究其对药物的敏感性。
研究小组在平台上的细胞上结合了两种药物，并注意到与单独使用单一疗法相比，两种药物的协同作用更强。这种现象也存在于微流体单细胞捕获装置中，以提供有效的单一疗法和联合疗法策略。例如，暴露于5-氟尿嘧啶的细胞经历了剂量致死以抑制DNA合成和细胞有丝分裂，突出了药物筛选在探索不同药物梯度中的肿瘤细胞异质性的重要性。这项工作对更广泛的生物学和临床前探索具有重大影响，包括癌症干细胞分离和药物发现。
展望
通过这种方式，沈少飞及其同事产生了一种简单高效的多功能微流控药物筛选装置，用于单细胞水平的功能。该装置包含一个浓度梯度药物发生器和适用于多种用途的单细胞捕获阵列。
他们将平台上的单细胞捕获装置结合起来，在两种不同的癌细胞系上实施不同剂量的两种抗癌药物。这项工作为在单细胞和干细胞水平上研究多种抗癌药物的敏感性提供了一个强有力的起点，以实施有效的化疗策略。
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