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(yǎng)細胞的狀態(tài)和質(zhì)量的評估。細胞力學構成

了 研究從發(fā)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(jīng)被英國乃至歐洲研究者們廣泛接受。并在國際期刊上發(fā)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(tài)和流變學性質(zhì)。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(shù)據(jù)。

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(nèi)源性生物標志物。可實時

測量、分析、保存所有單細胞參數(shù)。

技術原理

高通量單細胞力學測試系統(tǒng)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(chǎn)生使單個細胞變形的力。這些力源

于流體內(nèi)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(chǎn)生的速度梯度，并經(jīng)歷 施加輕柔擠壓的力場。

高速成像揭示了由此產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)允許以高達每秒1000個細胞的高速率進行非破壞性的連續(xù)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(tǒng)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(shù)量的細胞亞群。

應用介紹

1血液制品的質(zhì)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(tǒng)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(chǎn)品的問題,這些產(chǎn)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(zhì)量控制工具的應用,以監(jiān)測儲存

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

胞流變學的影響。后,他們調(diào)查了冷凍保護劑的影響造血干細胞的力學特性。總而言之，該研究表明 ,實時變形細胞術可用作具有高度

創(chuàng)新潛力的無標記診斷。

2轉(zhuǎn)化醫(yī)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(zhuǎn)化研究中越來越受到關注。特別是再生醫(yī)學將這些細胞視為替代組織的來源,例如

在事故發(fā)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(jiān)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(tǒng),我們解決了是否可以根據(jù)機械細胞變化檢測到紅細胞(RBC)內(nèi)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(nèi)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)是一個重要的研究領域。主要挑戰(zhàn)之一是區(qū)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(tǒng)可以區(qū)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(chǎn)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(tǒng)細胞發(fā)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(diào)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(jù)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(yī)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(xiàn)這一-目標,他們將生物物理工具(包括DNA折紙、微流體、脂質(zhì)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