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“力”所能及——多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT在单细胞力学实验中的创新应用

发布日期:2021-01-12

瑞士Cytosurge公司的多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT,是将原子力系统、微流控系统、纳米位移台系统合为一体的单细胞操作系统,能够在单细胞水平上为研究者提供极大的便利,可应用于单细胞力谱、单细胞质谱、单细胞基因编辑、细胞系构建、药物研发、精准医疗等领域。本文将从单细胞实验方法和多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT结构出发,详细介绍多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT在单细胞力学实验中的应用。

 

一. 单细胞实验方法简介

 

在细胞生物学实验中,由于细胞的异质性,每个细胞互相之间都存在一定差异,因此在单细胞层面研究细胞性质可以获得更加准确的结果。近年来,多种单细胞研究技术不断涌现,应用于医学诊断、组织工程和药物筛选等领域。

 

对于细胞力学测定,原子力显微镜(AFM)能够对单个细胞或生物分子进行高分辨成像和力谱测定,但是细胞与探针的结合过程不可逆,无法实现连续、快速的检测。

 

对于细胞分离/分选技术,可选的有玻璃细管、光镊、流式细胞分选和磁珠分选等方法,然而有的从表面分离细胞时容易损伤细胞,有的无法从同类细胞群中分离出单个细胞。

 

对于细胞注射与提取,可选用纳米喷泉探针、纳米针和碳纳米管等,然而这些方法无法实现飞升以下量级的精准含量注射,且注射时间较长。

 

多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT,针对细胞力学测量、分离/分选、注射与提取等应用,在结合以上技术的优势的同时克服了这些技术固有的问题,是一套多功能的单细胞研究系统,在单细胞研究领域发挥着巨大作用。

 

二. 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT结构

 

简单来说,多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT是AFM与微流控的结合,主要由AFM扫描头、压力控制器与微流控探针组成(图1)。AFM扫描头装载于倒置显微镜上,整体结构大致与普通AFM相同,主要区别是探针中间有微流通道,后端连接液体池,前端探针尖端有一小孔,用于液体的流入流出。微流通道内径小于细胞,防止细胞进入堵塞;探针则有多种不同孔径和不同的弹性,可根据不同应用以及不同样本更换所需探针。


图1 FluidFM BOT系统图示。(a)微流控系统与AFM的结合应用;(b)(c)(d)探针的特殊设计。

 

三. 单细胞力学应用

 

传统AFM用于单细胞力学测量时,需要对探针进行一定处理以粘附细胞,后再与需要和细胞相互作用的表面、分子或其他细胞相结合,有时会产生多个细胞粘附,且反复测力会导致细胞被破坏,使得每次测量都必须准备新的探针,实验效率较低。

 

多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT通过将AFM与微流控相结合,使单细胞力学实验更高效,更简洁。对于已经结合在表面的固定细胞,可根据细胞尺寸安装适用的探针,从上方接触需要测量的细胞,通过微流控系统施加负压吸起细胞,获得力-距离曲线;也可以吸取悬浮细胞,与表面或其他固定细胞接触后,测量力-距离关系。这种方法能够提供远比蛋白结合牢固的多的吸附力,能够将细胞牢固的固定在探针上面,因此能够用于直接从基质上分离;另一方面,由于没有生物处理,这种方法不会改变任何细胞表面的通路,从而能够得到接近细胞原生的数据。

 

单个细胞测量完成后可移动探针至细胞板其他孔内,施加正压将其释放,再回到实验孔吸取下一个细胞,意味着单个探针可以进行多次测量。

 

细胞粘附是许多生理过程的重要步骤,细胞粘附力的测定可以为组织形态发生、胚胎发育、肿瘤、免疫反应和微生物膜等研究提供重要信息。多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT支持真核和原核细胞与细胞板/培养皿表面、抗菌/粘性/抗体包被的表面或其他细胞的粘附力测量(图2)。


图2 不同细胞在不同环境下的粘附力-距离曲线。(a)探针接近、暂停、吸取并拉伸细胞的过程中探针偏转随时间的变化;(b)Hela细胞与纤连蛋白包被的表面的粘附力-距离曲线;(c)不同接触时间下大肠杆菌与PLL表面的粘附力-距离曲线;(d)大肠杆菌与PLL表面的分离距离与接触时间的关系;(e)酿脓链球菌与玻璃表面的粘附力-距离曲线,表示多个球菌的连续分离;(f)单个细胞与单细胞层的粘附力-距离曲线。

 

Sankaran等人[1]使用多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT来研究在共价和非共价的表面整合素受体对细胞粘附力的影响。通过测定发现两者均可有效增加细胞的粘附能力,并且效果近似(图3)。


图3使用FluidFM BOT测定共价键与非共价键的整合素受体之间RGD的区别。(a)实验示意图;(b)粘附力测定前后示意图;(c)粘附力-距离曲线;(d)最大粘附力。

 

多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT还可用于测量细胞的应力以研究细胞骨架的性质。Sancho等人[2]将10μm的小胶球吸附于探针上,之后使用探针去压细胞直到探针压力达到2 nN,通过压痕曲线来分析细胞骨架变化。通过对比发现过量表达MSX1的细胞硬度显著高于普通细胞(图4)。


图4 使用FluidFM BOT测定HUAEC中MSX1过表达对细胞骨架的影响。(d)实验示意图;(e)吸附10μm珠子;(f)下压时空白细胞的力学谱线;(g)下压时MSX1过表达细胞的力学谱线,凹陷更深、斜率更高,表示其刚度相对更高;(h)胶体压痕法的测量结果。

 

四. 其他应用

 

多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT可用于细胞内注射与提取(图3),通过精确的力学测量,可以控制探针刺入细胞质或细胞核内进行飞升级别含量的液体注射或提取。此外,FluidFM BOT系统还可用于细胞分离以及细胞延展性研究。


图5 FluidFM BOT系统的细胞内注射过程。(a)探针对准细胞;(b)探针尖端刺破细胞膜,注入含荧光染料的目标液体;(c)探针与细胞分离,注射完成。

 

多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT克服了现有单细胞技术的短板,将多种单细胞应用相结合,高通量、高效率地获取单细胞层面的详细数据,研究多种细胞性质,尤其适合应用于精准医疗、单细胞生物学、单细胞质谱、单细胞基因编辑、药物研发等领域。

 

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参考文献:

[1]. Cell Adhesion on Dynamic Supramolecular Surfaces Probed by Fluid Force Microscopy-Based Single-Cell Force Spectroscopy, ACS Nano 2017, 11, 4, 3867–3874.

[2]. A new strategy to measure intercellular adhesion forces in mature cell-cell contacts. Sci Rep 7, 46152 (2017).