基于细胞的高通量药物筛选显著推进了现代生物学、个性化体外疾病模型和毒理学研究的发展。在过去的十年中，研究人员一直致力于开发能够同时产生药物浓度梯度并进行给药的小型化筛选平台。然而，现有的药物筛选平台在实际应用中仍面临一些挑战：微流体平台降低了氧气交换和样品处理的便捷性；基于液滴阵列的给药方式，包括频繁的移液操作、夹心法和刺激响应释放等方法，不可避免的会对悬浮细胞造成机械扰动或生理干扰。因此，开发一种能够实现无干扰、自动化梯度给药的药物筛选芯片，对于提升筛选效率和准确性具有重要意义。
近日，北科大许利苹教授团队联合中科院理化所王树涛研究员团队在药物筛选芯片方面取得了重要进展。该团队利用冷冻铸造策略和浸润诱导转移策略制备了异质油水凝胶，实现了精确的自动化梯度给药和无干扰的药物筛选。相关论文以题目“Heterogeneous Organohydrogel Toward Automated and Interference-Free Gradient Feeding of Drugs in Cell Screening” 发表在“Advanced Science”上，北京科技大学博士研究生高洪晓为第一作者，北京科技大学许利苹教授和中国科学院理化技术研究所王树涛研究员为通讯作者。
图1异质油水凝胶用于无干扰和自动化梯度给药的示意图。
异质油水凝胶由三部分组成。上表面的亲水阵列可以作为细胞培养区，用于捕获液滴、培养细胞和监测药物的生物效应，下表面具有油凝胶和水凝胶的成分梯度，充当浓度梯度发生器，具有锥形通道的油水凝胶本体为高效和单向药物运输提供毛细力。通过调整给药时间、冷冻铸造时间、基底浸润性和凝胶单体种类，可以灵活调节其给药效率。不同于传统的给药策略，该平台提供了一种非接触式的给药方法，降低了给药过程中对贴壁和非贴壁细胞的机械干扰。除了对单一药物进行梯度给药外，异质油水凝胶适用于不同溶剂中的不同药物，无需对药物进行功能化修饰。此外，油水凝胶本体的毛细力在整个自动给药过程中提供了主要驱动力，减少了额外能量的输入。异质油水凝胶可以通过简单且可扩展的工程过程制备，具有成为下一代药物筛选平台的巨大潜力，并为临床诊断和精准医疗提供了一种有前途的替代方案。相关工作得到了国家自然科学基金委的资助。此工作是该研究团队在凝胶表界面性质调控及其在生物领域应用的最新进展之一。该团队前期利用水凝胶微球的限域效应，成功将生物传感中的核酸杂交反应时间缩短至10 s以内（ACS Nano 2022, 16, 6266−6273）。随后，该团队利用浸润诱导转移策略制备了基于图案化油水凝胶表面的液滴阵列，实现了超宽时间范围的生物传感（Adv. Sci. 2023, 2207702），为构筑新一代高保湿生物芯片提供了新思路。此工作在前期工作的基础上，结合冷冻铸造策略，制备了这种具有普适性的药物筛选平台，解决了传统给药方法面临的机械/生理干扰和仪器依赖性的难题，并为精准医学和临床应用的药物研究创造新的机会。
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http://doi.org/10.1002/advs.202401720
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