培養細胞的新技術──「吹泡泡」製作細胞鷹架

細胞鷹架──三維的細胞培養環境

物理學家研究細胞？你也許心想，這篇文章是不是「錯頻」了？其實沒有，林耿慧就是研究細胞的物理學家。林耿慧說，大部分的細胞必須貼附在基材上才能存活。一般培養細胞的「基材」就是培養皿，但是培養皿是二維的平面，如果想要養出三維的結構，培養皿做不到。然而，身體內的細胞、組織和器官，都有三維的結構。如何從細胞變成這些有結構的三維組織甚至器官，這是組織工程學家想達到的目的。

很早以前就有人想到，可以製造一個三維的「鷹架」來培養細胞。許多組織工程學研究試著製作細胞鷹架，不過一直未能培養出一個如在身體內的組織或器官。

林耿慧認為，要成為一個完好的組織，端視細胞與基材、還有細胞與細胞之間作用力協調出來的結構；但因為現今製作細胞鷹架的方式很不均勻，導致鷹架孔洞大小不一，因此很難了解細胞如何與鷹架作用。林耿慧想到了統計力學的這個概念：就算給定一模一樣的能量、溫度條件，還是會有很多的微觀狀態 (microstate) ；那不如創造出很多一模一樣的微環境，去觀察裡面細胞的狀態。「我的想法就是讓全部微環境都一樣，就可以觀察很多狀態。」

發明製作細胞鷹架的「吹泡泡」技術

規則的細胞鷹架該怎麼作呢？有些科學家提出 3D 列印的方法，可惜很難印出夠小的孔洞。那為什麼要做夠小的孔洞呢？

林耿慧說，我們如果沒有眼睛，在一個空間內行走，如果沒有邊緣會覺得自己在二維，除非這個空間有牆，並且尺度跟自己本身的尺度差不多，手腳摸一摸可以觸碰到不同方向的限制，才能夠感覺自己在三維。細胞的尺度大約是 10 到 100 微米大小，因此如果做出類似大小的孔洞，就可以讓細胞生長在三維的環境。

林耿慧的專長，正好是製作小塑膠球，博士論文就是做「膠體粒子」，把幾百奈米到幾 0 微米的小球堆疊成晶體。她想，這是她的老朋友，現在只要把尺度改成 10 微米以上就可以了。

查了文獻，林耿慧發覺她的想法已經被別人發明了。但是，讀完文獻之後，發覺前人的做法並不好，製作過程又慢又貴，自己仍然大有可為。

那個時候，「微流道」剛好發展起來，林耿慧對其研究現況一直有持續掌握。她看到一個方法，是用微流道吹泡泡，尺度剛好和細胞鷹架所需一模一樣，「就是我要的方法！」於是，林耿慧開始在實驗室製作這樣的泡泡。

林耿慧用微流道來吹泡泡製作細胞鷹架，實驗相當成功。不但成本很低，製作所需時間也很短，做一個不到一分鐘。並依此申請了專利，也成功技轉，現在這個產品可以在生化試劑最大販賣平台的 Sigma-Aldrich 上買到。

二維與三維環境，培養細胞大不同！

三維的細胞鷹架，有什麼功用呢？不但可以應用於再生醫學、人工敷料，也對精準醫療有所幫助。林耿慧表示，現在化學製藥成本不算太貴了，最貴的是篩藥，而用三維細胞培養來篩藥，應該會有更接近身體內細胞的反應。

林耿慧舉例，1992 年生物學家米納‧碧賽爾 (Mina Bissell) 的團隊，把乳癌細胞養在二維和三維環境來做實驗。他們放了一些抗體進去，發現在三維環境，這些惡性腫瘤細胞可以回復成良性，但在二維環境卻維持惡性。如此一來，傳統在二維的篩藥方法就篩不出來這個藥效。

另外，即使是表皮細胞，乍看之下是平坦的二維結構，但事實上，經常要形成管狀構造才有功能。例如血管、氣管，都需要管狀的細胞。而在二維平面上養細胞，很難養出管狀結構。

三維細胞培養一大瓶頸在於成本。一般三維培養用的材料如水膠，價格昂貴、操作時間又慢，而林耿慧發明的細胞鷹架，突破了這些限制；又經由技轉公司的進一步改良後，操作上和二維培養一樣方便了。

利用細胞鷹架，研究細胞的物理

製作出細胞鷹架只是第一步。林耿慧利用這樣的鷹架來培養細胞，做了各方面的細胞研究。她用物理方法，來量化細胞的體積、曲率，這是與一般生物學不同之處。

林耿慧說，生物學家量化的東西不一樣，例如他們會去量化蛋白質的表現。物理學家則是量化細胞的物理量，例如體積或「看到彎彎的線，就去量化曲率半徑」，因為這與細胞的作用力、能量有關。

量測細胞的形態，其實很困難。我們無法拿尺量測細胞，需要憑藉影像，而光是處理影像就很麻煩。林耿慧團隊突破這些技術困難，獲得一些有趣的發現，找到了一些在二維和三維不同的細胞型態：例如黏著斑尺寸比較小的細胞，其應力纖維也比較細，而黏著斑與應力纖維的分布是環繞整個細胞身體，呈現三維分布。而還有一些尚未發表的結果，皆顯示細胞在三維與二維的不同，團隊後續希望能從細胞力學的角度來解釋這些差異。

生物物理研究：從頭學起

生物物理包含許多跨領域專業，林耿慧團隊實驗成果的背後，其實是艱辛的歷程。

林耿慧說明，因為沒有現成的「生物物理」學系，可以教給學生所需的背景「常識」，所以學生來實驗室都需要從頭學起。有些學生學得快，有些學生會在一些不同領域中應該是常識的細節上出錯，例如：之前曾帶過機械系的學生，不知道將化學樣品加入溶液後要充分混合才能使用，做實驗一直失敗，後來才發現他連配溶液都不會。在團隊裡，擅長養細胞的學生不一定會寫程式，而擅長寫程式的學生不一定會養細胞，因此研究經常要拆開來做，但兩邊要充分溝通，否則細節沒處理好，會造成後面量化的困難。

此外，團隊與生物學家合作，也是不斷磨合的過程。林耿慧談到，物理學和生物學研究的方法學不同：物理學家很多研究是基於觀察的研究，並且習慣「套用理論」來解釋事情；而生物學家的研究方法主要是以「假說檢驗」。偶爾，跨領域合作中，由於彼此不夠了解對方的領域，有時會高估彼此的能力。雖然並非易事，但林耿慧團隊仍持續和生物學家合作，得到了豐碩的研究成果。

從軟物質起家，林耿慧跨入生物的範疇，以物理的方法研究細胞。就像《平面國》一書所傳播的三維福音：「向上，而非向北」，透過細胞鷹架開啟三維的視角，也得以對生命的最小單位有更多探索的空間。