一种用于多功能单细胞功能测定的高通量模块化微流控平台

观察单细胞的活动

大多数实验室检测将数百万细胞混在一起，从而掩盖了各个细胞行为的差异。本研究介绍了一种微型“芯片实验室”，能够同时观察并检测一万多个单个细胞在活体状态下的行为：它们如何存活、分裂、杀死癌细胞以及与邻居交流。通过随时间追踪单个细胞，这项工作更清晰地揭示了为何部分癌细胞能在药物作用下存活、免疫细胞为何功能参差不齐，以及潜在的危险免疫副作用如何产生。

为单细胞搭建的新舞台

团队构建了一种名为 HiSCOPE 的微流控平台，由透明橡胶制成、刻有狭窄通道和数千个小室。悬浮于液体中的细胞通过通道缓慢流动，并被杯状捕获结构逐个温和捕获。随后在标准离心机中短暂旋转会将每个被捕获的细胞横向推动到其各自的死端小室中，这里没有连续流动。营养和信号仍可通过扩散进出，但细胞免受会引起应激或损伤的剪切力影响。每块芯片包含 12,800 个此类测定单元，允许对大量细胞并行筛选。

适用于多种检测的灵活布局

HiSCOPE 具有模块化设计：捕获系统保持一致，而邻近小室的形状和布局可根据待答问题进行替换。研究者设计了可容纳单个细胞、紧密细胞–细胞或细胞–微珠对、远距离配对以及被薄膜隔开的对（阻止接触但允许分子通过）的小室。通过重复捕获和离心步骤，他们可以将两种或三种不同细胞类型加载到同一小室，或将细胞置于能捕捉其分泌分子的微小微珠旁。这使得在单细胞水平上研究直接接触、远程通讯和分泌成为可能。

追踪癌细胞与免疫战士

为展示该平台的能力，科学家们首先追踪了单个白血病细胞在常用药物伊马替尼处理下的生长与反应。在无药物的芯片上，许多小室在三天内随着单细胞分裂而充满小型菌落。在药物处理下，大多数细胞死亡，但一小部分继续分裂。研究组使用一种巧妙的回收方法，通过按压所选小室的薄底板，温和地将幸存细胞推出，使用移液器收集并在普通培养皿中培养。许多克隆后来被发现只是暂时耐药而非永久耐药，这提示应激诱导的“持留细胞”可能在癌症治疗后复发中起作用。

放大细胞战斗与免疫串话

该平台还捕捉到了自然杀伤（NK）细胞与癌细胞之间的一对一较量。通过在每个小室中配对单个 NK 细胞与单个靶细胞并进行数小时拍摄，作者观察到快速杀伤、延迟杀伤、多靶连续杀伤以及在相同条件下完全无法杀伤的情况。移动更快的 NK 细胞通常更擅长杀伤。在另一组实验中，将微珠置于免疫细胞旁以吸附释放的细胞因子，使团队能够测量每个细胞的分泌量。令人惊讶的是，有些 NK 细胞在不释放关键细胞因子的情况下完成了杀伤，而另一些则释放细胞因子却未能杀死靶细胞，揭示了整体检测会遗漏的功能不匹配。

探测危险的免疫副作用

利用以窄障隔开的双细胞小室，研究人员研究了人类 T 细胞与巨噬细胞如何相互刺激释放与细胞因子风暴相关的炎症分子，这类风暴在进阶细胞疗法中可见到。他们比较了直接接触与纯粹基于分子的通讯，并测试阻断特定表面相互作用 CD40–CD40L 对反应的影响。结果表明，强烈的炎症信号爆发在很大程度上依赖直接接触，且不同巨噬细胞状态以不同方式响应，强调了混合免疫细胞群体中隐藏的细粒度多样性。

这对未来医学有何意义

通过结合温和的单细胞处理、多种小室设计以及回收选定活细胞的能力，HiSCOPE 将一块简单的芯片变成了一个强大的细胞行为观测站。它可以追踪单个细胞随时间的生长、死亡、攻击和信号传递，并将这些行为与后续的遗传或分子分析关联起来。对非专业读者而言，关键信息是：癌症和免疫疾病由稀有且多样的细胞驱动，而非平均值所能代表。像这种平台的工具使那些隐藏的个体变得可见，为更精确的诊断、更个性化的疗法以及更安全的免疫治疗提供了可能路径。

引用: Shao, N., Mai, J., Godin, B. et al. A high-throughput modular microfluidic platform for versatile functional assays at single-cell level. Microsyst Nanoeng 12, 183 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01310-4

关键词: 单细胞分析, 微流控芯片, 药物耐受性, 免疫细胞功能, 细胞因子信号传导