細胞表征新角度--微流控細胞形變觀(guān)測法

　　細胞的力學(xué)表型是細胞內部結構變化的重要指標，它與細胞狀態(tài)和細胞功能密切相關(guān)。力學(xué)特性的改變能反映包括細胞周期進(jìn)展、惡性腫瘤、白細胞活化和干細胞分化等細胞活動(dòng)過(guò)程。同時(shí)，細胞力學(xué)的測量能擺脫對外部標簽（例如熒光染料）的依賴(lài)。因此，它構成了細胞鑒定的一個(gè)重要的非侵入性生物標志量。此外，由于細胞力學(xué)表型決定了細胞對其周遭環(huán)境力的反應的大小，細胞力學(xué)還可以為細胞生命活動(dòng)過(guò)程的觀(guān)測提供一個(gè)新穎的生物物理視角。傳統的細胞力學(xué)檢測利用原子力顯微鏡、微吸管抽吸、光學(xué)拉伸和平行板流變學(xué)等方法，來(lái)量化暴露于外部應力下的單個(gè)細胞的變形。這些方法可以評估力在時(shí)間軸上的響應狀況，并能夠提取細胞的物理特性，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(cháng)的限制，很難在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室以外的地方實(shí)現高通量的測量。在這種情況下，基于微流空的方法則是一個(gè)很有吸引力的選擇。微流控系統可以通過(guò)監測細胞在外力作用下的形變能力進(jìn)行可靠的、高通量的評估，并能夠對均勻和異質(zhì)細胞群體進(jìn)行徹底的表征。

　　近期，來(lái)自Technische Universit?t Dresden的Jochen Guck、University of California的Dino Di Carlo和Massachusetts Institute of Technology的Scott R.Manali在Nature methods上發(fā)表了題為“A comparison of microfluidic methods for high-throughput cell deformability measurements”的文章，該文章提出了一項標準化的交叉實(shí)驗室研究，比較了三種基于微流體的測量細胞力學(xué)表型的方法: 收縮型變形能力細胞儀(cDC)、剪切流變形能力細胞儀(sDC)和拉伸流變形能力細胞儀(xDC)（圖1）。這三種方法都能檢測暴露于改變的滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）下引起的細胞形變，并可用來(lái)確定導致形變能力變化的細胞結構，然而這些方法間卻從未有過(guò)橫向的比較。本文于是進(jìn)行了一項標準化的交叉實(shí)驗室研究，比較了三種形變性細胞術(shù)各自最有代表性的實(shí)驗方法， 從而進(jìn)一步加深了人們對不同變形能力細胞測定方法適用性的理解，并為解釋使用不同平臺進(jìn)行的變形能力測量提供了背景。

圖1 測定細胞變形能力的基于微流體的方法的比較

　　該團隊分別使用cDC，sDC和xDC三種方法，評估了來(lái)自相同來(lái)源和傳代數的人源早幼粒細胞白血病(HL60)細胞在發(fā)生滲透變化和Latrunculin B誘導的肌動(dòng)蛋白解體的狀態(tài)下的形變程度。
　　首先，他們將HL60 細胞在（高于血漿滲透壓300mOsm的）400-700 mOsm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)的細胞分別通過(guò)cDC, sDC和xDC，并觀(guān)察其形變程度。將數據經(jīng)過(guò)標準化處理后，能看到相對形變（RD, relative deformation）在不同的力學(xué)表型儀器上所表現出來(lái)的 隨高滲溶液滲透程度的變化趨勢是一致的（圖2e）。理論上，當細胞處于高滲溶液中時(shí)，細胞內的水分會(huì )向外排出，使得細胞內細胞器的排布更加緊密，從而增強細胞的強度。由此，可以得出結論，即細胞內膠體組分的堆積密度誘導的形變是可以在所有測試方法中檢測到的。

圖2 滲透壓（摩爾濃度滲透壓，摩爾滲透壓）變化對細胞變形能力的影響

　　然而關(guān)于監測Latrunculiln B (LatB) 誘導的肌動(dòng)蛋白解體的情況，不同的設備則會(huì )得出不同的結論。LatB能清除肌動(dòng)蛋白單體，從而引起肌動(dòng)蛋白細胞骨架的解體（圖3a）。首先，HL60細胞也被不同濃度的LatB溶液預處理， 然后再分別通入cDC, sDC和xDC儀器中，并觀(guān)察其形狀變化。經(jīng)分析數據可知發(fā)現，cDC和sDC對于細胞形變程度的變化較為接近，而xDC則對于細胞由LatB誘導所致的肌動(dòng)蛋白解體情況不能進(jìn)行很好的監測 (圖3e)。該團隊經(jīng)分析比較推測其主要原因是不同設備中所產(chǎn)生的應變率會(huì )有所區別。cDC與sDC能產(chǎn)生相近的應變率，而xDC則應用了更高的應變率，而在高應變大小和應變率下，能觀(guān)察到的肌動(dòng)蛋白網(wǎng)絡(luò )的流態(tài)化。

圖3 latb誘導的肌動(dòng)蛋白解體對細胞變形能力的影響

　　除了測量細胞的形變程度以外，上面提出的三種檢測方式，每一種都具有能拓寬基礎測量維度的一些不同的功能。如cDC,就能提供更多的參數，例如進(jìn)入和過(guò)境速度，來(lái)描述細胞通過(guò)狹窄流道的過(guò)程，并能夠敏感地讀出細胞的浮力質(zhì)量。sDC的突出特點(diǎn)是數據處理的實(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，對于sDC來(lái)說(shuō)，它擁有集成類(lèi)細胞分選儀(FACS)的潛力，并具有從形變數據中提取楊氏模的理論框架。與此同時(shí)，xDC則能實(shí)現更高的通量。所有這三個(gè)系統，還都能與明場(chǎng)細胞成像技術(shù)進(jìn)行整合，以獲取更多的基于圖像的細胞表征數據。
　　將力學(xué)特性與當前的細胞行為觀(guān)點(diǎn)相結合，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。