病毒诱导的细胞迁移与人体免疫系统的激活、血管疾病的发生以及肿瘤的形成等密切相关。因此,在体外研究病毒诱导的细胞迁移行为对于揭示相关生理或病理学过程的机制有着重要的意义。痘苗病毒是隶属于痘病毒科一个大的DNA病毒,因其曾作为对抗天花疾病的疫苗而被广泛认知。近年来,研究发现痘苗病毒可以诱导细胞产生迁移行为,并推测该行为的发生可能与痘苗病毒在细胞间的快速传播机制相关。迄今为止,关于痘苗病毒诱导细胞迁移的研究有限,而且都是基于传统体外细胞培养技术开展的,二维的、静态的细胞培养模式几乎没有将细胞外微环境考虑在内。在体内,细胞本身暴露于复杂的微环境中,而极其复杂的细胞迁移过程又可以被一系列外部因素所调控。因此,探究细胞外微环境对痘苗病毒诱导细胞迁移行为的影响对于全面而深入地理解活体内被感染细胞的迁移行为、揭示外部因素对病毒诱导细胞迁移的调控机制以及阐明细胞迁移与病毒传播的关系都有着重要的意义。微流控芯片作为一项新兴的技术,因其具有样品消耗量少、易集成、高通量等特点已广泛应用于细胞生物学领域。与传统生物学方法相比,微流控芯片平台具有对细胞灵活的操控能力以及对细胞外微环境精确模拟的优势。在芯片内,很容易形成稳定的化学因子浓度梯度和不同类型的流体剪切力、构建多样的基底形貌结构,这为体外探究体内微环境中一系列生物物理或生物化学因子对细胞迁移的调控作用提供了良好的平台。具有生物代表性模型的建立也为体外生物学研究中新现象的发现、新机制的揭示提供了可能。基于此,本论文主要围绕微流控芯片的细胞外微环境调控和痘苗病毒诱导细胞迁移的研究开展了以下工作:1.构建了一个基于微流控的多重流体剪切力细胞迁移分析平台用于研究流体剪切力对痘苗病毒诱导细胞迁移的影响。基于气阀控制的方式可以可控地形成不同宽度的规则伤口区域,有效地避免了传统划痕实验中伤口边缘的细胞损伤。同时利用设计的特殊微通道结构,我们仅通过简单地改变入口处的流速就可以在芯片平台上获得多重的稳定流体剪切力。集成了改进的伤口形成方法和多重流体剪切力的微流控芯片,为体外探究细胞迁移行为对力学刺激的响应机制提供了有利的平台。利用该平台,我们发现在流体剪切力作用下,被病毒感染的细胞有沿着流体方向迁移的趋势,其细胞迁移速率明显增加,迁移的定向性也明显增强。进一步研究发现迁移细胞中减少的边缘伪足与受限在流体方向的轴向伪足可能导致了定向的细胞迁移。同时,在感染的迁移细胞中高尔基体重定位于细胞核后端并沿流体方向排布,这一新的发现为探究高尔基体在迁移细胞中重定位的机制提供了重要的信息。本工作首次将细胞外微环境引入痘苗病毒诱导的细胞迁移研究中,为探究和认识外部调控因素对痘苗病毒诱导细胞迁移行为的影响打开了窗口,也为体外研究痘苗病毒诱导的细胞迁移开辟了新的思路。2.设计了一个基于微槽型基底的开放式芯片用于研究基底形貌结构对痘苗病毒诱导细胞迁移行为的影响。微槽型的PDMS薄膜一定程度上模拟了细胞外基质的形貌结构,同时开放式的芯片易于与传统生物学技术相结合,为后续迁移过程中相关蛋白的分析与分子机制的揭示提供了可能。利用该芯片平台,我们发现微槽型的基底结构不仅会对细胞迁移的速率、迁移方向产生影响,也会对高尔基体的重定位过程和迁移细胞中伪足的形成产生定向调控作用。我们认为在病毒诱导细胞极化产生伪足的过程中,微槽型基底通过接触导向作用定向调控了微丝骨架的重组从而定向调控伪足的形成与分布,定向伪足的产生一定程度上促进了定向性增强的细胞迁移行为。进一步研究发现,微槽型的基底结构会诱导迁移细胞产生定向拉伸且富含大量病毒粒子的突出物,这些结构可能有利于病毒实现在细胞间快速、定向的传播。本工作为我们全面、深入地理解体内胞外基质形貌结构存在时,痘苗病毒诱导的细胞迁移行为提供了重要的信息。同时,定向调控病毒诱导的细胞迁移行为对于揭示细胞迁移与病毒传播的关系奠定了基础。3.发展了一个基于物理空间受限微通道的细胞共培养芯片用于研究物理空间受限微环境对痘苗病毒诱导细胞迁移的影响以及可视化探究细胞迁移对病毒在细胞间传播的影响。物理受限微通道在一定程度上模拟了细胞在体内三维受限的生长环境,被病毒感染的细胞在物理受限微通道内展现出加速、定向的细胞迁移行为。同时,物理空间受限微环境也会影响迁移细胞的亚细胞结构,包括伪足的产生以及高尔基体的重定位等。在该芯片平台上,我们通过液压进样与高度控制的方式很好地实现了被病毒感染的细胞与正常细胞的区域化培养,并利用物理受限微通道对病毒诱导细胞迁移行为的定向调控,首次观察到定向迁移的感染细胞通过与远距离正常细胞的直接接触引发了病毒在细胞间的远距离传播。正常细胞被迁移细胞感染后又可以触发迁移行为,这种“细胞迁移引起细胞感染,而细胞感染又触发细胞迁移”的过程很大程度上促进了痘苗病毒在细胞间的快速传播。本工作为揭示痘苗病毒在细胞间快速传播的机制提供了重要信息,也为体外研究痘苗病毒诱导的细胞迁移与病毒在细胞间传播的关系提供了新方法和新思路。