多功能单细胞显微操作FluidFM技术高水平论文盘点
发布日期：2023-09-13
瑞士Cytosurge公司推出的多功能单细胞显微操作系统——FluidFM OMNIUM，是一款将原子力系统、显微成像系统、微流控系统、活细胞培养系统融为一体的单细胞显微操作平台，该平台打开了传统细胞实验手段无法触及领域的大门，突破了单细胞研究、药物开发、细胞系开发中的障碍，主要功能包括单细胞提取、单细胞分离、单细胞注射、单细胞力谱等。深度应用于CRISPR基因组编辑、单克隆细胞系开发、病毒学、神经科学和生物力学等领域。本文将概述该技术近期发表的有代表性的文章。
多功能单细胞显微操作系统- FluidFM OMNIUM
1. bioRxiv
美国Texas大学病理学系的Bin Gong教授组在bioRxiv在线发表了以“Circulating exosomes from Alzheimer’s disease suppress VE-cadherin expression and induce barrier dysfunction in recipient brain microvascular endothelial cell”为题的文章。
研究背景：阿尔茨海默病 (AD) 与血脑屏障 (BBB)密切相关。BBB 功能障碍主要是由脑微血管内皮细胞 (BMEC) 的紧密连接或粘附连接蛋白减少或紊乱引起的。虽然越来越多的证据表明 AD 中BMEC的紧密连接中断，但粘附连接在AD中BBB功能障碍期间的功能作用仍然未知。衰老细胞分泌的外泌体具有独特的性质，有助于调节受体细胞的表型。然而，这些外泌体是否以及如何导致AD中的BMEC功能障碍仍然未知。
FluidFM技术应用：内皮细胞中的细胞间多蛋白连接复合物在封闭细胞间的侧向空间以抵抗侧向接触部位的解结合力方面起着重要作用。因此，测量血脑屏障之间的横向结合力(LBFs)对于评估血脑屏障功能障碍的精确生物力学特征至关重要。为了直接测量BMEC活细胞之间的LBFs，作者采用了一种全新的生物力学策略——多功能单细胞显微操作系统FluidFM技术。结果显示，（AD血清循环外泌体）AD-Exos治疗72小时后，BMEC活细胞之间的LBFs呈剂量依赖性减少，这表明AD-Exos诱导正常受体BMEC屏障功能障碍。
2. Bioelectrochemistry
Zorinc等在Bioelectrochemistry发表了以“Reconstructed membrane vesicles from the microalga Dunaliella as a potential drug delivery system”为题的文章。
研究背景：该研究的目的是从微藻的形态、特性、组成和运输模型药物的能力等方面对微藻中获得的重建膜囊泡进行表征。重建的囊泡呈现排空和非排空，并表现出球形表面结构的不均匀分布，这可能与表面外壳蛋白有关，而在两者之间有10 nm的孔状结构，可能有助于渗透。重建的囊泡非常柔软和亲水，这归因于它们的组成。囊泡富含蛋白质，主要来源于细胞质和叶绿体。作者证明了所有的脂类都参与了重建膜囊泡的形成，它们对维持囊泡结构起着基本的作用。囊泡可渗透钙黄绿素，不渗透FITC-卵清蛋白，对 FITC-伴刀豆球蛋白A半渗透，这可能是由于与葡萄糖/甘露糖单元的特定表面相互作用，可作为药物载体开发的基础。重建的膜囊泡可以作为可持续和环境友好的海洋生物载体开辟一条新途径，并用于研究材料的微运输和膜相关过程，从而促进生命科学和生物技术的进步。
FluidFM技术应用：利用多功能单细胞显微操作系统FluidFM技术来表征重建囊泡的力学特征。通过纳米压痕实验，以杨氏模量获得重建囊泡纳米力学性能的定量信息(如下图a和b)。在实验中，FluidFM探针以一定的力压在囊泡表面，对17个重建膜囊泡表面1.5 × 1.5 μm的面积进行了纳米压痕测量，这些重建膜囊泡来自两批独立的样品。直方图a显示了来自两个独立批次培养的17个细胞表面1.5 × 1.5 µm的纳米压痕测量所获得的杨氏模量值的分布。图b显示了由FluidFM形成的气泡与批量培养的7个囊泡之间的粘附力分布。
3. Biosensors and Bioelectronics
来自瑞士Qun Ren 组在Biosensors and Bioelectronics上发表了以“Specific capture of Pseudomonas aeruginosa for rapid detection of antimicrobial resistance in urinary tract infections”为题的文章。
研究背景：尿路感染(UTI)是最主要的微生物疾病之一，导致大量的医疗负担并威胁人类健康。由铜绿假单胞菌引起的尿路感染可能变得更加严重，特别是由耐抗生素类型引起的尿路感染。因此，快速诊断和鉴定耐药铜绿假单胞菌可以支持和指导对尿路感染的有效用药和有效治疗。本文作者设计了一个快速纯化和有效鉴定铜绿假单胞菌的平台，以对抗铜绿假单胞菌相关的UTI进行研究。首先，将一种特异性结合铜绿假单胞菌的肽(QRKLAAKLT)移植到聚乙二醇化的磁性纳米簇上，并成功地从人造尿液中捕获和富集铜绿假单胞菌。其次，在30分钟内快速完成富集的铜绿假单胞菌的耐药性鉴定。这些功能化的磁性纳米团簇显示出对抗铜绿假单胞菌相关UTI的突出诊断潜力，这可以扩展到其他铜绿假单胞菌相关感染。
FluidFM技术应用：(图 b/c)。作者应用单细胞力谱来测量单个细菌细胞与不同功能化磁性纳米团簇之间的亲和力，以更好地了解潜在的相互作用应用。评估菌株对MNCs和peptide@MNCs的平均粘附力在1.0-2.0 nN范围内。被评估的病原菌P. aeruginosa与PEG@MNCs之间的亲和力更低，在0.3-1.0 nN的范围内，可能是由于PEG的特性导致的。然而，所检测的病原菌对peptide@-PEG@MNCs的量化亲和力表现出不同的特征，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的低亲和力在1.50-1.55 nN范围内，对易感和耐药铜绿假单胞菌的高亲和力分别为21.93 nN和24.11 nN。
为了获得最佳的相互作用时间，将peptide@-PEG@MNCs与铜绿假单胞菌孵育5、10、30、60、90和120 min(图d)。结果发现，10分钟的相互作用足以达到最大捕获，而将孵育时间延长至120分钟并不能从本质上提高捕获效率。
4. PHYSICAL REVIEW APPLIED
Sebastian J等在PHYSICAL REVIEW APPLIED上发表了以“Predicting Cell Stress and Strain during Extrusion Bioprinting”为题的文章。
研究背景：在3D生物打印领域，打印过程中细胞大的形变造成的损伤被认为是导致细胞死亡和打印结构内功能丧失的主要原因。这些形变在很大程度上取决于打印过程中细胞对流体动力应力的机械弹性响应。本文研究表明，对于在喷嘴中心流动的细胞，拉伸应力更显著，远离中心流动的细胞，它们的变形主要是由喷嘴内的剪切流控制的。根据这些模拟结果，作者提出了Mooney–Rivlin model数学模型，只需要三类参数：喷嘴直径、流速、生物墨水流变学参数就可以准确预测三维生物打印过程中发生的最大细胞应力。
FluidFM技术应用：在研究中，作者使用多功能单细胞显微操作系统FluidFM技术对稳定表达paxillin-YFP的REF52细胞进行压缩实验。所使用的FluidFM探针的直径为8 μm，弹簧系数为2 N/m。FluidFM探针压细胞会使细胞产生一定的变形，这种形变就可以直接与所构建的模型进行比较。
采用最佳拟合方法确定杨氏模量和剪切模量之比w，模型预测与实验数据非常吻合，如下图所示。虽然力值的一般范围是由杨氏模量控制的，但Mooney-Rivlin比值w特别定义了力上升的点。本文发现杨氏模量在110 Pa到160 Pa的范围内，w = 0.25、0.5和1。对于非常小的变形，超弹性模型产生的结果与根据赫兹理论的线性弹性模型所期望的结果相同。对于大变形，由于其非线性特性，力迅速增加，表现出应变硬化行为和与赫兹理论的巨大偏差。总的来说，作者发现模拟和FluidFM测量与REF52细胞之间非常匹配。
以生物打印过程中使用的细胞为例，以REF52细胞为例进行了一系列FluidFM细胞压痕实验，发现使用Mooney-Rivlin模型的三个参数，数值模型和测量结果之间存在极好的一致性。
[参考文献]
[1] Jiani Bei, Ernesto G. Miranda-Morales, Qini Gan, Yuan Qiu1, Sorosh Husseinzadeh, Jia Yi Liew, Qing Chang, Balaji Krishnan, Angelo Gaitas, Subo Yuan, Michelle Felicella, Wei Qiao Qiu, Xiang Fang. Circulating exosomes from Alzheimers disease suppress VE-cadherin expression and induce barrier dysfunction in recipient brain microvascular endothelial cell. (Apr 2023) bioRxiv.
[2] Maja Levak Zorinc, Irem Demir-Yilmaz, Cecile Formosa-Dague, Ivna Vrana, Blaˇzenka Gaˇsparovi´c, Lucija Horvat, Ana Butorac, Ruˇza Frkanec, Nadica Ivoˇsevi´c DeNardis. Reconstructed membrane vesicles from the microalga Dunaliella as a potential drug delivery system. (Dec 2022) Bioelectrochemistry.
[3] Fei Pan, Stefanie Altenried, Subas Scheibler, Alexandre H.C. Anthis, Qun Ren. Specific capture of Pseudomonas aeruginosa for rapid detection of antimicrobial resistance in urinary tract infections. (Nov 2022) Biosensors and Bioelectronics.
[4] Sebastian J. Müller, Ben Fabry, Stephan Gekle. Predicting Cell Stress and Strain during Extrusion Bioprinting. (Jun 2023) PHYSICAL REVIEW APPLIED.
[5] W. Chen, O. Guillaume-Gentil, P. Yde Rainer, C. G. Gäbelein, W. Saelens, V. Gardeaux, A. Klaeger, R. Dainese, M. Zachara, T. Zambelli, J. A. Vorholt & B. Deplancke. Live-seq enables temporal transcriptomic recording of single cells. (Aug 2022) Nature, doi:10.1038/s41586-022-05046-9.
[6] O. Guillaume-Gentil, R.V. Grindberg, R. Kooger, L. Dorwling-Carter, V. Martinez, D. Ossola, M. Pilhofer, T. Zambelli & J.A. Vorholt. Tunable Single-Cell Extraction for Molecular Analyses. (Jul 2016) Cell, 166(2), 506-516. doi: 10.1016/j.cell.2016.06.025.
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