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细胞电融合芯片技术发展及展望 　　摘 要 细胞电融合芯片技术是最近十几年来发展迅速的一种细胞融合方法，它可以广泛用于遗传学、动植物远缘杂交育种、发育生物学、免疫学、医药、食品以及农业等领域的基础研究和应用开发。由于其不仅具有可控性强、操作简便、对细胞无毒害等优点，还比传统细胞电融合技术更安全、快捷、高效、便携、集成度高，而且便于实验观察， 样本消耗少，因此， 在国内外广受关注。本文综述了细胞电融合芯片技术的基本原理、实现方法、研究进展，并对其未来发展作了展望。 　　关键词 细胞； 电融合； 芯片； 微电极； 微流控；综述 　　1 引 言 　　细胞融合是20世纪初发展起来的一种细胞工程技术[1～5]，可以在一定的诱导因素作用下使两个或多个同源或者异源细胞（原生质体）相互接触，进而发生膜融合、胞质融合和核融合，从而形成杂种细胞。细胞融合所形成的新细胞（杂合细胞）得到了来自两个父本细胞的遗传物质，因而具有新的遗传学或生物学特性。细胞融合逐渐成为细胞工程的一项核心技术，它不仅为核质相互关系[6]、基因调控[7]、遗传互补[8]、肿瘤发生[9]、基因定位[10]、衰老控制[11]等领域的研究提供了有力手段，而且在遗传学、动植物远缘杂交育种、发育生物学、免疫学、医药、食品以及农业等领域具有广泛应用价值。它已成为杂交育种[12]、药物筛选[13]、单克隆抗体制备[14]、哺乳动物克隆[15]以及抗癌疫苗研发[16]等现代生物医学研究中的一项关键技术。 　　细胞融合的诱导可以利用生物、化学和物理等因素。相应地，细胞融合方法也可以分为病毒融合法[17～21]、化学融合法[22～26]、电融合法[27～31]、激光融合法[32～36]等。其中，由于其具有可控性强、操作简便、对细胞无毒害等优点，细胞电融合方法的应用最为广泛。但是，传统电融合方法中，过高的工作电压对实验者以及实验细胞都具有不安全因素，对系统的整体电气安全性提出了很高要求。融合装置体积和细胞样品消耗大，融合效率和通量较低， 实验观察和分析不方便， 这些都限制了电融合方法的进一步推广。 　　随着微机电系统（Micro electro mechanical systems, MEMS）[37?39]和微加工技术[40～42]的发展，20世纪末科学家提出了细胞电融合芯片技术，研制出集成有微通道和微电极等微结构的融合芯片[43～47]。由于融合电极间距大大缩小，芯片对工作电压要求也大为降低，从而提高了实验过程的安全性。同时，与细胞尺寸相当的微结构可以更精确地操作细胞，使细胞配对的准确率和融合率都有很大提高。而且，在芯片上可以集成细胞进样、筛选等模块，可以满足安全、高效、多功能、便携等要求。本文简要介绍细胞电融合芯片的工作原理及研究进展，并对其未来发展进行展望。 　　2 细胞电融合芯片的工作原理 　　2.1 细胞电融合的电学及生物学基础 　　细胞电融合包括3个连续的阶段：待融合的细胞紧密接触；细胞膜在电脉冲作用下穿孔；细胞间借助膜孔进行物质交换，进而融合成一个新的杂合细胞[27]。在含离子的电解质溶液中，细胞可视为非带电球形颗粒，外加电场可以引起细胞膜两边的电解质离子极化形成电偶极子。细胞在介电电泳力的作用下运动，相互靠在一起形成细胞串珠[48]。在电场作用下，细胞膜两边的电解质离子极化形成膜电位差，其形成时间通常为几微秒[49]。膜电压对膜产生一定的压力，受压后， 膜变薄。当膜的厚度达到临界厚度时，膜就会因不稳定而形成穿孔，此时的电压为临界电压[50]。如果穿孔区域位于两细胞紧接的地方，穿孔处的膜会互相连接形成通道。如果穿孔电压足够大，通道就可以大到能使两个细胞的细胞质交流。当细胞膜穿孔可逆时，细胞膜将在穿孔消失的过程中重建，两个细胞的细胞膜连在一起，最终合并形成一个新的杂种细胞[28]。 　　2.2 细胞电融合芯片的基本形式、加工及工作过程 　　细胞电融合芯片一般由3层结构构成：最底层为基底，作为支撑结构；中间层为电极、微通道以及微孔、融合腔室、出口、入口等微结构，是进行细胞操作及电融合的主体；最上层为盖片，用于封装及样品进出。芯片材料的选择主要考虑以下因素：材料易于微加工；针对细胞融合过程的可视化和散热要求，通常需要芯片的部分材料透明，而且热性能较好；微电极材料的导电性能要好；由于实验操作的是生物活细胞，要求材料的生物兼容性要好；此外，由于生化试剂的使用，对材料的化学惰性等也有相应要求。因此，芯片的基底及封装材料一般选用硅[51]、SOI（Silicon on insulator）[52]、石英或者玻璃[53]、聚酰亚胺（Polyimide）[54]、聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）[55]等。这些材料都易于微加工、具有良好的化