基于微流控的測(cè)量細(xì)胞力學(xué)表型的方法

細(xì)胞的力學(xué)表型是細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的重要指標(biāo)，它與細(xì)胞狀態(tài)和細(xì)胞功能密切相關(guān)。力學(xué)表型的改變能反映包括細(xì)胞周期進(jìn)展、惡性腫瘤、白細(xì)胞活化和干細(xì)胞分化等細(xì)胞活動(dòng)過(guò)程。同時(shí)，細(xì)胞力學(xué)表型的測(cè)量能擺脫對(duì)外部標(biāo)簽（例如熒光染料）的依賴(lài)。因此，它構(gòu)成了細(xì)胞鑒定的一個(gè)重要的非侵入性生物標(biāo)志量。此外，由于細(xì)胞力學(xué)表型決定了細(xì)胞對(duì)其周遭環(huán)境力的反應(yīng)的大小，細(xì)胞力學(xué)表型還可以為細(xì)胞生命活動(dòng)過(guò)程的觀測(cè)提供一個(gè)新穎的生物物理視角。傳統(tǒng)的細(xì)胞力學(xué)表型測(cè)量利用原子力顯微鏡、微吸管抽吸、光學(xué)拉伸和平行板流變學(xué)等方法，來(lái)量化暴露于外部應(yīng)力下的單個(gè)細(xì)胞的形變。這些方法可以評(píng)估力在時(shí)間軸上的響應(yīng)狀況，并能夠提取細(xì)胞的物理特性，如彈性模量或粘度。然而，這些方法受到技術(shù)要求高、流程耗時(shí)長(zhǎng)的限制，很難在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室以外的地方實(shí)現(xiàn)高通量的測(cè)量。在這種情況下，基于微流控的方法則是一個(gè)很有吸引力的選擇。微流控系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)細(xì)胞在外力作用下的形變能力進(jìn)行可靠的、高通量的評(píng)估，并能夠?qū)蛸|(zhì)和異質(zhì)細(xì)胞群體進(jìn)行徹底的表征。

近期，來(lái)自德累斯頓工業(yè)大學(xué)（Technische Universit?t Dresden）、加州大學(xué)（University of California）和麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）的研究人員在Nature methods上發(fā)表了題為“A comparison of microfluidic methods for high-throughput cell deformability measurements”的文章，該文章提出了一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化的交叉實(shí)驗(yàn)研究，比較了三種基于微流控的測(cè)量細(xì)胞力學(xué)表型的方法：收縮型形變能力細(xì)胞儀（cDC）、剪切流形變能力細(xì)胞儀（sDC）和拉伸流形變能力細(xì)胞儀（xDC）（圖1）。

這三種方法都能測(cè)量暴露于不同滲透壓下引起的細(xì)胞形變，并可用來(lái)確定導(dǎo)致形變能力變化的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，然而這些方法間卻從未有過(guò)橫向的比較。研究人員于是進(jìn)行了一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化的交叉實(shí)驗(yàn)研究，比較了三種形變細(xì)胞術(shù)各自最有代表性的實(shí)驗(yàn)方法， 從而進(jìn)一步加深了人們對(duì)不同形變能力細(xì)胞測(cè)定方法適用性的理解，并為解釋使用不同平臺(tái)進(jìn)行的形變能力測(cè)量提供了支撐。

圖1 基于微流控的細(xì)胞形變測(cè)定能力的方法比較

該研究分別使用cDC、sDC和xDC三種方法，評(píng)估了來(lái)自相同來(lái)源和傳代數(shù)的人源早幼粒細(xì)胞白血病（HL60）細(xì)胞在發(fā)生滲透變化和Latrunculin B（LatB）誘導(dǎo)的肌動(dòng)蛋白解體的狀態(tài)下的形變程度。

首先，研究人員將HL60細(xì)胞在400-700mOsm的溶液中脫水十分鐘（圖2a）。然后，將這些經(jīng)過(guò)不同濃度的高滲溶液處理過(guò)的細(xì)胞分別通過(guò)cDC、sDC和xDC，并觀察其形變程度。將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，能看到相對(duì)形變（RD，relative deformation）在不同的力學(xué)表型儀器上所表現(xiàn)出來(lái)的隨高滲溶液滲透程度的變化趨勢(shì)是一致的（圖2e）。理論上，當(dāng)細(xì)胞處于高滲溶液中時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的水分會(huì)向外排出，使得細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的排布更加緊密，從而增強(qiáng)細(xì)胞的強(qiáng)度。由此，可以得出結(jié)論，即細(xì)胞內(nèi)膠體組分的堆積密度誘導(dǎo)的形變是可以在所有測(cè)試方法中測(cè)量到的。

圖2 滲透壓變化對(duì)細(xì)胞形變能力的影響

然而關(guān)于監(jiān)測(cè)LatB誘導(dǎo)的肌動(dòng)蛋白解體的情況，不同的儀器則會(huì)得出不同的結(jié)論。LatB能清除肌動(dòng)蛋白單體，從而引起肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的解體（圖3a）。首先，HL60細(xì)胞被不同濃度的LatB溶液預(yù)處理， 然后再分別通入cDC、sDC和xDC儀器中，并觀察其形狀變化。經(jīng)分析數(shù)據(jù)可知發(fā)現(xiàn)，cDC和sDC對(duì)于細(xì)胞形變程度的變化較為接近，而xDC則對(duì)于細(xì)胞由LatB誘導(dǎo)所致的肌動(dòng)蛋白解體情況不能進(jìn)行很好的監(jiān)測(cè) （圖3e）。該團(tuán)隊(duì)經(jīng)分析比較推測(cè)其主要原因是不同儀器中所產(chǎn)生的應(yīng)變率會(huì)有所區(qū)別。cDC與sDC能產(chǎn)生相近的應(yīng)變率，而xDC則產(chǎn)生了更高的應(yīng)變率，而在高應(yīng)變大小和應(yīng)變率下，能觀察到肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò)的流態(tài)化。

圖3 LatB誘導(dǎo)的肌動(dòng)蛋白解體對(duì)細(xì)胞形變能力的影響

除了測(cè)量細(xì)胞的形變程度以外，上面提出的三種測(cè)量方式，每一種都具有能拓寬基礎(chǔ)測(cè)量維度的一些不同的功能。如cDC就能提供更多的參數(shù)，例如進(jìn)入和過(guò)境速度，來(lái)描述細(xì)胞通過(guò)狹窄流道的過(guò)程，并能夠敏感地讀出細(xì)胞的浮力質(zhì)量。sDC的突出特點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，這使得該方法能夠兼容形變分析下游的主動(dòng)排序。此外，對(duì)于sDC來(lái)說(shuō)，它擁有集成類(lèi)細(xì)胞分選儀（FACS）的潛力，并具有從形變數(shù)據(jù)中提取楊氏模的理論框架。與此同時(shí)，xDC則能實(shí)現(xiàn)更高的通量。所有這三個(gè)系統(tǒng)，都能與明場(chǎng)細(xì)胞成像技術(shù)進(jìn)行整合，以獲取更多的基于圖像的細(xì)胞表征數(shù)據(jù)。

將力學(xué)表征與當(dāng)前的細(xì)胞行為觀點(diǎn)相結(jié)合，將為更全面地理解生理和病理過(guò)程鋪平道路，并具有及重要的潛在的臨床診斷價(jià)值。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41592-020-0818-8

審核編輯 ：李倩