流式速度檢測細胞生物力學特性，單 細胞水平、高通量、無生物標記物

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

一種新興的無標記生物標志物 ,可以直接了解細胞功能或功能障礙。

細胞力學特性有助于理解和評估藥物治療效果、兔疫細胞活化、干細胞分化、癌癥預后或培養細胞的狀態和質量的評估。細胞力學構成

了 研究從發育到疾病的主題的關鍵科學目標。

細胞機械力分型是一種無需標記就可以定量細胞功能性改變的方法，在臨床診斷和預后判斷等方面有著很大的應用潛力。不過由于細胞

太小,分析單個細胞的機械力特性是很困難的。之前的分析方法技術含量高、操作復雜、分析量小、檢測速度慢。

用流式速度檢測單細胞生物力學特性,這種超快速的細胞機械力篩選已經被英國乃至歐洲研究者們廣泛接受。并在國際期刊上發表了多

篇文獻進行了充分驗證。

此方法是利用力和光來描述細胞的新技術,可以流式細胞儀的速度檢測單細胞形態和流變學性質。細胞被泵入-個微流體芯片中,同時

對細胞進行實時拍照、分析和存儲數據。

此外,還可以對細胞施加非破壞性的力,以研究細胞對應力做出的特異性應答,并將其作為細胞的無標記、內源性生物標志物?？蓪崟r

測量、分析、保存所有單細胞參數。

技術原理

高通量單細胞力學測試系統用流體動力使細胞變形:當單個細胞通過狹窄的通道時,周圍的流體會產生使單個細胞變形的力。這些力源

于流體內的摩擦力,這會逐漸降低靠近通道壁的流速。通道中的細胞暴露于液體中由此產生的速度梯度，并經歷 施加輕柔擠壓的力場。

高速成像揭示了由此產生的細胞變形。變形程度表示細胞的剛度。

生物力學

deviation

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

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

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

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

高通量單細胞力學測試系統能快速測量單細胞的變形能力。細胞以幾厘米秒的速度從右向左流動,通過來自上下兩個通道的鞘流集中在

微通道中。系統允許以高達每秒1000個細胞的高速率進行非破壞性的連續測量-比其他細胞力學分析方法(例如,微量移液器抽吸100

個細胞/小時, RT-DC 1,000個細胞秒)提高了10000 倍。

高通量有助于在細胞生物學和臨床研究中作為標準分析方法的應用，只需幾分鐘即可獲得具有統計意義的單細胞測量值。通過對細胞大

小或變形能力進行門控,可以檢測到低數量的細胞亞群。

應用介紹

1血液制品的質量控制

細胞類型:血小板、紅細胞、干細胞

結果:本研究中的作者使用帶有FluorescenceModule的AcCellerator系統解決了如何評估血小板濃縮物、紅細胞和造血干細胞等細胞

血液產品的問題,這些產品可以無標記地從小樣本量中進行評估。作者展示了RT-DC作為一種強大的質量控制工具的應用,以監測儲存

在不同溫度下的血小板的狀態,并通過納米顆粒暴露來驗證細胞內的變化。此外，他們使用機械表型來強調PVCxue袋中的增塑劑對紅細

胞流變學的影響。后,他們調查了冷凍保護劑的影響造血干細胞的力學特性?？偠灾撗芯勘砻?,實時變形細胞術可用作具有高度

創新潛力的無標記診斷。

2轉化醫學一-懸浮心肌 細胞的無標記表征

細胞類型:心肌細胞、人源性多能干細胞

結果:人類誘導多能干細胞(hiPSC)在基礎研究和轉化研究中越來越受到關注。特別是再生醫學將這些細胞視為替代組織的來源,例如

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

-種重要細胞類型。研究人員可以證明高通量機械表征能夠監測這些細胞結構的細微變化。利用這些結果可能允許在移植前對這些細胞

進行無標記評估,而無需熒光標記。

3寄生蟲檢測

細胞類型:紅細胞

結果:使用AcCellerator系統,我們解決了是否可以根據機械細胞變化檢測到紅細胞(RBC)內瘧原蟲浸潤的問題。在體外感染RBC樣品

后,細胞在48小時的寄生蟲生命周期內進行了分析。在典型樣品中,大約8-10%的所有細胞被感染，與未處理的對照相比,變形減

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

此外,我們利用AcCellerator系統的特性來獲取每個單細胞的明場圖像。該研究表明,我們的軟件能夠直接識別細胞內的寄生蟲。這表

明直接從圖像分析中檢測寄生蟲的可能性。-個過程，可以在幾秒鐘內完成。

4人工紅細胞的表征品

細胞類型:紅細胞

用于獻血的治療性紅細胞(RBC)的生產是一個重要的研究領域。主要挑戰之一是區分 有核和去核紅細胞。后者仍然含有細胞核，需要在

任何臨床應用之前從人工血樣中取出。使用AcCellerator ,我們以超過每秒1,000個細胞的吞吐率證明了我們的系統可以區分兩種RBC類

型。將來，我們的機械細胞分析與無標記分選策略的結合將有助于生產純化的人工血樣。

5解析中性粒細胞活化的動力學

細胞類型:中性粒細胞

結果:高測量速率和快速樣品制備允許觀察動力學過程。下圖顯示了 當來自新鮮血液的中性粒細胞暴露于甲酰甲硫氨酰亮氨酰苯bing氨

酸(MLP)時機械性能的變化。三肽fMLP由許多細菌釋放,并向免疫系統細胞發出感染信號。

6檢測細胞骨架的變化

細胞類型: HL60

結果:細胞骨架的改變可以通過機械分析來量化。Cytochalasin D對肌動蛋白微絲的消耗導致更高的變形,因此降低了HL60 細胞的剛

度。下圖顯示了處理和未處理細胞的疊加。

7調查過去條件的影響

細胞類型:造血干細胞、CD34陽性細胞

結果:原代人類造血干細胞(HSC)通常通過跨膜蛋白CD34的存在來識別。下圖比較了從骨髓獲得的CD34+細胞和通過粒細胞集落刺

激因子(G-CSF)動員到外周血中的CD34+細胞。雖然根據其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

德國海德堡大學和馬克斯普朗克醫學研究所

馬克斯普朗克研究小組負責人Kerstin G?pfrich博士

生物物理工程研究小組

研究方向:

試圖設計具有新組裝、信息傳播和復制方式的細胞。

為實現這一-目標,他們將生物物理工具(包括DNA折紙、微流體、脂質囊泡和3D打印)與實驗方法(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算方法)相結合。

目前從事以下項目:

用于合成細胞的DNA納米技術和DNA折紙

合成細胞中的對稱性破壞

基于膜的隔室的力學

合成細胞與3D打印

信息編碼和處理