介电电泳诱导下的细胞精准定域排列机制与高效电融合仪器系统的研制

摘要 (Abstract)

细胞电融合技术（Electrofusion）是目前生物工程、单克隆抗体制备以及体细胞克隆的主要方法。但是传统的电融合方式由于受到胞间随机接触和低效配对率的影响，一直存在转化效率瓶颈的问题。本项目利用介电电泳效应，在非均匀的直流场中研究了带状物体表面所表现出的不同特性，并且研制出微米级精确控制能力强、高效的细胞复合仪器系统装置。该系统的异种成对排列（Pearl-chain formation）可以实现精准配位，融合效率比传统的PEG法提高3-5倍左右，在高端生物制药装备国产化方面提供强有力的理论和硬件支持。

1. 研究背景及问题

在杂交瘤技术和核移植技术中，使两颗特定的细胞（比如B淋巴细胞和骨髓瘤细胞）融合为一步。传统的聚乙二醇诱导法有明显的毒性作用，并且早期电融合的方式是依靠着悬浮液中的随机碰撞来实现，在这样的过程中会有很多无效的大体上的“多胞”，或者说是未接触过的混合，有效的杂交瘤获取率很低。

主要问题：

随机性：没有主动控制的方法，细胞配对全靠概率。

低存活率：高压脉冲容易造成不可逆穿孔，从而引起细胞死亡。

定位难：不能在微尺度上控制细胞的轴向排列。

本系统采用的高精度微流控芯片原型，用于实现微观尺度下的细胞流场控制

2. 核心机制：介电电泳(DEP)的精确定位

本项目摒弃了传统的整体电场处理方式，采用非均匀交流电场。当悬浮在介质中的细胞受到非匀强的静电作用时，在由于内部和周围环境之间的导电机率以及介电常数不同而引起的极化现象下会产生正负两种相反相位的空间分布，并且它们之间就会产生一种横向力叫作静电力（F_DEP）。

按照 Clausius-Mossotti (CM) 因子理论，我们建立了精确的动力学模型：

通过改变施加信号的频率（Frequency）以及电导率，我们可以使细胞产生正介电电泳现象。在pDEP的作用下，由于偶极-偶极相互作用(Dipole-dipole interaction)，使得细朐沿电场线的方向排列成紧密的地“珍珠链”(Pearl-chain)。“通过调节施加信号的频率（Frequency）以及导纳率来使细胞产生正介电电泳(pDEP)的现象。”

该机制保证了细胞A和细胞B可以以膜对膜的方式准确接触，从而为之后的电穿孔融合提供良好的几何条件。

3. 高效电融合仪器系统的研究与开发

根据上述理论，团队自研了“XXX-Align X1”智能电融合系统。该系统集成了微流控芯片技术和高频高压脉冲发生技术，并且主要包含以下创新模块：

3.1 微电极阵列设计（Micro-Electrode Array）

不同于传统的平行板电极，我们设计了3D叉指微电极（Interdigitated Electrodes）结构。

场强聚焦： 在低电压下就可以产生 10^5 V/m 的局部电场梯度。

低热效应：极小的电极间距大大降低了焦耳热，保证了细胞活性。

3.2 智能波形发生器

系统内置FPGA控制核心，可以输出复合波形：

排列相（Alignment Phase）：1MHz、5Vpp正弦波，用pDEP使细胞排队。

融合相（Fusion Phase）：50μs、60V直流脉冲，瞬间击穿细胞膜脂双层。

修复相（Post-fusion Phase）：低幅值交流电，稳定融合体、防止分离。

4. 实验验证及数据分析

在SP2/0骨髓瘤细胞和小鼠原代脾脏组织的融合实验中验证了系统性能。

定域排列效果：用显微镜观察可以看到，在施加交流信号5秒之后，92%的视场内的细胞完成了定向“珍珠链”的排布。

融合效率：本系统双细胞融合率（Doublet yield）相比传统电转仪提高了35%，由8%提升至了35%。

细胞活性：融合后的24小时存活率维持在85%以上。

5. 结论和展望 (Conclusion)

本项目成功地揭示了非均匀电场中细胞介电泳的力学响应机制，并在此基础上研制出具有自主知识产权的一种高效的电融合仪器。该系统不但解决了行业内普遍存在的“配对难”的问题，而且通过微流控集成实现了过程可视化和自动化。

未来，该技术将会在全人源抗体开发、肿瘤免疫治疗（比如DC-肿瘤细胞融合疫苗）以及稀有单个细胞的测序前处理等方面起着重要的作用，并且也代表了我国高端细胞工程装备的发展又迈出了坚实的一步。