流式速度檢測(cè)細(xì)胞生物力學(xué)特性,，單 細(xì)胞水平、高通量,、無生物標(biāo)記物

細(xì)胞的力學(xué)特性與細(xì)胞的狀況和功能相關(guān),，由功能上重要的細(xì)胞成分控制，例如細(xì)胞骨架，癌細(xì)胞比健康細(xì)胞更容易變形,。它們構(gòu)成了

一種新興的無標(biāo)記生物標(biāo)志物 ,可以直接了解細(xì)胞功能或功能障礙,。

細(xì)胞力學(xué)特性有助于理解和評(píng)估藥物治療效果、兔疫細(xì)胞活化,、干細(xì)胞分化,、癌癥預(yù)后或培養(yǎng)細(xì)胞的狀態(tài)和質(zhì)量的評(píng)估。細(xì)胞力學(xué)構(gòu)成

了 研究從發(fā)育到疾病的主題的關(guān)鍵科學(xué)目標(biāo),。

細(xì)胞機(jī)械力分型是一種無需標(biāo)記就可以定量細(xì)胞功能性改變的方法,，在臨床診斷和預(yù)后判斷等方面有著很大的應(yīng)用潛力。不過由于細(xì)胞

太小,分析單個(gè)細(xì)胞的機(jī)械力特性是很困難的,。之前的分析方法技術(shù)含量高,、操作復(fù)雜、分析量小,、檢測(cè)速度慢。

用流式速度檢測(cè)單細(xì)胞生物力學(xué)特性,這種超快速的細(xì)胞機(jī)械力篩選已經(jīng)被英國乃至歐洲研究者們廣泛接受,。并在國際期刊上發(fā)表了多

篇文獻(xiàn)進(jìn)行了充分驗(yàn)證,。

此方法是利用力和光來描述細(xì)胞的新技術(shù),可以流式細(xì)胞儀的速度檢測(cè)單細(xì)胞形態(tài)和流變學(xué)性質(zhì)。細(xì)胞被泵入-個(gè)微流體芯片中,同時(shí)

對(duì)細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照,、分析和存儲(chǔ)數(shù)據(jù),。

此外,還可以對(duì)細(xì)胞施加非破壞性的力,以研究細(xì)胞對(duì)應(yīng)力做出的特異性應(yīng)答,并將其作為細(xì)胞的無標(biāo)記、內(nèi)源性生物標(biāo)志物,?？蓪?shí)時(shí)

測(cè)量、分析,、保存所有單細(xì)胞參數(shù),。

技術(shù)原理

高通量單細(xì)胞力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)用流體動(dòng)力使細(xì)胞變形:當(dāng)單個(gè)細(xì)胞通過狹窄的通道時(shí),周圍的流體會(huì)產(chǎn)生使單個(gè)細(xì)胞變形的力。這些力源

于流體內(nèi)的摩擦力,這會(huì)逐漸降低靠近通道壁的流速,。通道中的細(xì)胞暴露于液體中由此產(chǎn)生的速度梯度,，并經(jīng)歷 施加輕柔擠壓的力場(chǎng)。

高速成像揭示了由此產(chǎn)生的細(xì)胞變形,。變形程度表示細(xì)胞的剛度,。

生物力學(xué)

deviation

為了產(chǎn)生確定的力, 孤立的細(xì)胞被泵送通過橫截面略大于細(xì)胞橫截面的微通道。周圍流體的壓力梯度產(chǎn)生流動(dòng)剖面并使細(xì)胞流體動(dòng)力學(xué)

變形,。流體的流速和粘度控制作用在細(xì)胞上的力,。細(xì)胞可以通過流體動(dòng)力變形,力由流速和粘度控制,較軟的細(xì)胞顯示較大的變形。

為了產(chǎn)生確定的力, 孤立的細(xì)胞被泵送通過橫截面略大于細(xì)胞橫截面的微通道,。周圍流體的壓力梯度產(chǎn)生流動(dòng)剖面并使細(xì)胞流體動(dòng)力學(xué)

變形,。流體的流速和粘度控制作用在細(xì)胞上的力。細(xì)胞可以通過流體動(dòng)力變形, 力由流速和粘度控制,較軟的細(xì)胞顯示較大的變形,。

高通量單細(xì)胞力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)能快速測(cè)量單細(xì)胞的變形能力,。細(xì)胞以幾厘米秒的速度從右向左流動(dòng),通過來自上下兩個(gè)通道的鞘流集中在

微通道中,。系統(tǒng)允許以高達(dá)每秒1000個(gè)細(xì)胞的高速率進(jìn)行非破壞性的連續(xù)測(cè)量-比其他細(xì)胞力學(xué)分析方法(例如,微量移液器抽吸100

個(gè)細(xì)胞/小時(shí), RT-DC 1,000個(gè)細(xì)胞秒)提高了10000 倍。

高通量有助于在細(xì)胞生物學(xué)和臨床研究中作為標(biāo)準(zhǔn)分析方法的應(yīng)用,，只需幾分鐘即可獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的單細(xì)胞測(cè)量值,。通過對(duì)細(xì)胞大

小或變形能力進(jìn)行門控,可以檢測(cè)到低數(shù)量的細(xì)胞亞群。

應(yīng)用介紹

1血液制品的質(zhì)量控制

細(xì)胞類型:血小板,、紅細(xì)胞,、干細(xì)胞

結(jié)果:本研究中的作者使用帶有FluorescenceModule的AcCellerator系統(tǒng)解決了如何評(píng)估血小板濃縮物、紅細(xì)胞和造血干細(xì)胞等細(xì)胞

血液產(chǎn)品的問題,這些產(chǎn)品可以無標(biāo)記地從小樣本量中進(jìn)行評(píng)估,。作者展示了RT-DC作為一種強(qiáng)大的質(zhì)量控制工具的應(yīng)用,以監(jiān)測(cè)儲(chǔ)存

在不同溫度下的血小板的狀態(tài),并通過納米顆粒暴露來驗(yàn)證細(xì)胞內(nèi)的變化,。此外，他們使用機(jī)械表型來強(qiáng)調(diào)PVCxue袋中的增塑劑對(duì)紅細(xì)

胞流變學(xué)的影響,。后,他們調(diào)查了冷凍保護(hù)劑的影響造血干細(xì)胞的力學(xué)特性,。總而言之,，該研究表明 ,實(shí)時(shí)變形細(xì)胞術(shù)可用作具有高度

創(chuàng)新潛力的無標(biāo)記診斷,。

2轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)一-懸浮心肌 細(xì)胞的無標(biāo)記表征

細(xì)胞類型:心肌細(xì)胞、人源性多能干細(xì)胞

結(jié)果:人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(hiPSC)在基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化研究中越來越受到關(guān)注,。特別是再生醫(yī)學(xué)將這些細(xì)胞視為替代組織的來源,例如

在事故發(fā)生后,。在Pires等人的作品中。研究人員探索了RT-DC在表征hiPSC衍生的心肌細(xì)胞方面的潛力, 這些心肌細(xì)胞構(gòu)成了心臟的

-種重要細(xì)胞類型,。研究人員可以證明高通量機(jī)械表征能夠監(jiān)測(cè)這些細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化,。利用這些結(jié)果可能允許在移植前對(duì)這些細(xì)胞

進(jìn)行無標(biāo)記評(píng)估,而無需熒光標(biāo)記。

3寄生蟲檢測(cè)

細(xì)胞類型:紅細(xì)胞

結(jié)果:使用AcCellerator系統(tǒng),我們解決了是否可以根據(jù)機(jī)械細(xì)胞變化檢測(cè)到紅細(xì)胞(RBC)內(nèi)瘧原蟲浸潤(rùn)的問題,。在體外感染RBC樣品

后,細(xì)胞在48小時(shí)的寄生蟲生命周期內(nèi)進(jìn)行了分析,。在典型樣品中,大約8-10%的所有細(xì)胞被感染，與未處理的對(duì)照相比,變形減

少,。有趣的是,未暴露于寄生蟲的受感染樣本中的細(xì)胞也顯示變形減少,。這暗示了旁觀者效應(yīng)。

此外,我們利用AcCellerator系統(tǒng)的特性來獲取每個(gè)單細(xì)胞的明場(chǎng)圖像,。該研究表明,我們的軟件能夠直接識(shí)別細(xì)胞內(nèi)的寄生蟲,。這表

明直接從圖像分析中檢測(cè)寄生蟲的可能性。-個(gè)過程,，可以在幾秒鐘內(nèi)完成,。

4人工紅細(xì)胞的表征品

細(xì)胞類型:紅細(xì)胞

用于獻(xiàn)血的治療性紅細(xì)胞(RBC)的生產(chǎn)是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。主要挑戰(zhàn)之一是區(qū)分 有核和去核紅細(xì)胞,。后者仍然含有細(xì)胞核,，需要在

任何臨床應(yīng)用之前從人工血樣中取出。使用AcCellerator ,我們以超過每秒1,000個(gè)細(xì)胞的吞吐率證明了我們的系統(tǒng)可以區(qū)分兩種RBC類

型。將來,，我們的機(jī)械細(xì)胞分析與無標(biāo)記分選策略的結(jié)合將有助于生產(chǎn)純化的人工血樣,。

5解析中性粒細(xì)胞活化的動(dòng)力學(xué)

細(xì)胞類型:中性粒細(xì)胞

結(jié)果:高測(cè)量速率和快速樣品制備允許觀察動(dòng)力學(xué)過程。下圖顯示了 當(dāng)來自新鮮血液的中性粒細(xì)胞暴露于甲酰甲硫氨酰亮氨酰苯bing氨

酸(MLP)時(shí)機(jī)械性能的變化,。三肽fMLP由許多細(xì)菌釋放,并向免疫系統(tǒng)細(xì)胞發(fā)出感染信號(hào),。

6檢測(cè)細(xì)胞骨架的變化

細(xì)胞類型: HL60

結(jié)果:細(xì)胞骨架的改變可以通過機(jī)械分析來量化。Cytochalasin D對(duì)肌動(dòng)蛋白微絲的消耗導(dǎo)致更高的變形,因此降低了HL60 細(xì)胞的剛

度,。下圖顯示了處理和未處理細(xì)胞的疊加,。

7調(diào)查過去條件的影響

細(xì)胞類型:造血干細(xì)胞、CD34陽性細(xì)胞

結(jié)果:原代人類造血干細(xì)胞(HSC)通常通過跨膜蛋白CD34的存在來識(shí)別,。下圖比較了從骨髓獲得的CD34+細(xì)胞和通過粒細(xì)胞集落刺

激因子(G-CSF)動(dòng)員到外周血中的CD34+細(xì)胞,。雖然根據(jù)其CD34+分類相同,但源自外周血的HSC比源自骨髓的HSC更硬。

用戶

用戶1 

University Heidelberg and Max Planck Institute for Medical Research

Dr. Kerstin G?pfrich, Max Planck Research Group Leader

Biophysical Engineering Group

德國海德堡大學(xué)和馬克斯普朗克醫(yī)學(xué)研究所

馬克斯普朗克研究小組負(fù)責(zé)人Kerstin G?pfrich博士

生物物理工程研究小組

研究方向:

試圖設(shè)計(jì)具有新組裝,、信息傳播和復(fù)制方式的細(xì)胞,。

為實(shí)現(xiàn)這一-目標(biāo),他們將生物物理工具(包括DNA折紙、微流體,、脂質(zhì)囊泡和3D打印)與實(shí)驗(yàn)方法(如共聚焦和高速顯微鏡,、原子力

顯微鏡、冷凍電子顯微鏡和計(jì)算方法)相結(jié)合,。

目前從事以下項(xiàng)目:

用于合成細(xì)胞的DNA納米技術(shù)和DNA折紙

合成細(xì)胞中的對(duì)稱性破壞

基于膜的隔室的力學(xué)

合成細(xì)胞與3D打印

信息編碼和處理