直播：顯微操作技術(shù)在單細(xì)胞力譜測(cè)量的新進(jìn)展

[報(bào)告簡(jiǎn)介]
    單細(xì)胞粘附力作為生物機(jī)械學(xué)分支的重要組成部分，是細(xì)胞與外周相互作用的直觀體現(xiàn)，能夠有效的反映出細(xì)胞與基質(zhì)或細(xì)胞之間相互作用能力。細(xì)胞與基質(zhì)之間的作用力十分微小，一般都在nN級(jí)別，過(guò)去通常使用原子力顯微鏡才能夠進(jìn)行精確測(cè)量。但是原子力顯微鏡方案往往具有通量低，操作繁瑣等問(wèn)題，使得單細(xì)胞力譜的研究非常繁瑣。

    基于此，Cytosurge推出的全新多功能單細(xì)胞顯微操作FluidFM技術(shù)給細(xì)胞力譜測(cè)量帶來(lái)了新的希望。該技術(shù)結(jié)合了的原子力顯微鏡探測(cè)技術(shù)與微流體控制系統(tǒng)，能夠直接通過(guò)使用中空的原子力探針將細(xì)胞通過(guò)負(fù)壓抓取在探針表面，并不需要激活細(xì)胞的任何通路信號(hào)，為粘附力的測(cè)量帶來(lái)了極大的優(yōu)勢(shì)。一方面，這種方法能夠提供遠(yuǎn)比蛋白結(jié)合牢固的多的粘附力，能夠?qū)⒓?xì)胞牢固的固定在探針上并且無(wú)需包被探針。另一方面，由于沒(méi)有生物化學(xué)處理，這種方法不會(huì)改變?nèi)魏渭?xì)胞表面的通路，從而能夠得到最接近細(xì)胞原生的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具備高度自動(dòng)化，能夠快速，全自動(dòng)的完成力學(xué)的測(cè)定，讓單細(xì)胞力譜研究變得十分容易。

    本報(bào)告將介紹FluidFM單細(xì)胞顯微操作技術(shù)的原理和發(fā)展，并結(jié)合多篇發(fā)表在期刊Nature、Cell、Bioactive Materials等上的最近科研成果，深入闡述這種技術(shù)在單細(xì)胞力譜測(cè)量方面的最新進(jìn)展。

[直播入口]

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[報(bào)告時(shí)間]

05月25日 下午15:00-16:00

[主講人介紹]

Tamás Gerecsei 亞太區(qū)首席應(yīng)用科學(xué)家，高級(jí)FluidFM解決方案工程師，Cytosurge AG

Tamás是一位生物物理學(xué)家，畢業(yè)于Etvs Loránd（ELTE羅蘭大學(xué)）。 在與FluidFM在學(xué)術(shù)環(huán)境中合作多年后，他加入了Cytosurge公司，成為了一名訓(xùn)練有素的微納米系統(tǒng)工程師。在Cytosurge AG，Tamás不斷推動(dòng)并拓展FluidFM技術(shù)的應(yīng)用邊界，并使FluidFM技術(shù)應(yīng)用于世界各地研究人員的課題中。您可以經(jīng)常發(fā)現(xiàn)他在各種專業(yè)的學(xué)術(shù)會(huì)議上傳播關(guān)于Cytosurge和FluidFM技術(shù)的信息。

郭亞茹 

北京大學(xué)口腔醫(yī)院，國(guó)家口腔醫(yī)學(xué)中心，獲中國(guó)博士后科學(xué)基金，并入選北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部 2021年博雅博士后項(xiàng)目，在Advanced functional materials、Bioactive Materials、Journal of dental research等雜志上以作者或共同作者的身份發(fā)表5篇。

2021年，在Bioactive Materials發(fā)表了題為：Matrix stiffness modulates tip cell formation through the p-PXN-Rac1-YAP signaling axis的研究文章，報(bào)道了基質(zhì)硬度通過(guò)p-PXN-Rac1-YAP信號(hào)軸調(diào)節(jié)細(xì)胞形成，這項(xiàng)工作不僅有助于在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中尋找最佳材料，也為腫瘤治療和病理性血管再生提供了新的治療策略。在生物材料設(shè)計(jì)和治療一些病理情況方面具有特殊意義。本實(shí)驗(yàn)研究人員采用了多功能單細(xì)胞顯微操作系統(tǒng)——FluidFM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)細(xì)胞的分離，單個(gè)細(xì)胞粘附力的測(cè)量。

[原理&應(yīng)用簡(jiǎn)介]

FluidFM技術(shù)如何測(cè)定細(xì)胞粘附力？

    眾所周知，細(xì)胞在基質(zhì)上進(jìn)行單層培養(yǎng)時(shí)，吸附在基質(zhì)表面時(shí)主要會(huì)產(chǎn)生兩種不同類型的力，一種是細(xì)胞與基質(zhì)之間的粘附力，另一種是細(xì)胞與細(xì)胞之間的粘附力。因此對(duì)于細(xì)胞粘附力來(lái)說(shuō)，單個(gè)細(xì)胞的粘附力就是細(xì)胞與基質(zhì)之間的作用力。而單層細(xì)胞的細(xì)胞粘附力則是細(xì)胞之間相互作用力和細(xì)胞基質(zhì)與細(xì)胞之間作用力之和。如下圖所示：

    因此只要同時(shí)測(cè)定單個(gè)細(xì)胞粘附力即可得到細(xì)胞與基質(zhì)之間的相互作用力，而細(xì)胞間的相互作用力則可以通過(guò)同時(shí)測(cè)量單層細(xì)胞的細(xì)胞粘附力和單個(gè)細(xì)胞的粘附力做差得到，如下公式所示：

Force _cell-cell ≌ Force _Monolayer – Force _Indiv.cell

    FluidFM測(cè)量力學(xué)步驟與一般的原子力顯微鏡十分類似，但是操作卻遠(yuǎn)比原子力顯微鏡簡(jiǎn)單，這得益于FluidFM獨(dú)有的中空探針。這種探針無(wú)需像普通原子力探針一樣對(duì)探針進(jìn)行修飾或者將細(xì)胞提前粘連在探針上，可以直接在液體中原位抓取細(xì)胞，完成粘附力測(cè)定，并且在測(cè)量后探針仍然可以繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試，并且無(wú)需對(duì)探針進(jìn)行更換或再修飾。

FluidFM技術(shù)測(cè)量單細(xì)胞力譜的基本流程。

僅需操作鼠標(biāo)系統(tǒng)即可自動(dòng)完成對(duì)細(xì)胞的抓取和粘附力的測(cè)量。

    此外FluidFM系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄探針運(yùn)動(dòng)軌跡和力學(xué)曲線，如上圖中所示當(dāng)探針開始靠近細(xì)胞后，探針表面開始出現(xiàn)壓力變化，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定力學(xué)值后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止下降并開始施加負(fù)壓抓住細(xì)胞。隨著探針開始上升，細(xì)胞給予探針的拉力隨之增高，并逐漸達(dá)到臨界，隨后細(xì)胞脫離基質(zhì)，探針受力趨近于零，而這一過(guò)程中探針受力的最大值即為細(xì)胞粘附力。

FluidFM技術(shù)測(cè)量HeLa細(xì)胞核CHO細(xì)胞的粘附力。

能夠高通量測(cè)量單細(xì)胞粘附力譜

    FluidFM測(cè)量粘附力十分智能化，僅需5分鐘即可完成單個(gè)細(xì)胞的粘附力測(cè)定，一天可完成上百個(gè)細(xì)胞的測(cè)量，能夠大幅度提升單細(xì)胞力譜測(cè)量的通量，讓單細(xì)胞力譜研究變得簡(jiǎn)單、快速、高通量。

應(yīng)用舉例一：FluidFM技術(shù)測(cè)定衰老內(nèi)皮細(xì)胞的力譜

    內(nèi)皮細(xì)胞衰老導(dǎo)致細(xì)胞表型的改變與心血管疾病有著密切關(guān)系。隨著細(xì)胞的衰老，細(xì)胞的粘附力等機(jī)械屬性會(huì)有很大改變，因此對(duì)于細(xì)胞粘附力的研究將有助于理解細(xì)胞衰老的變化。Nafsika Chala等人利用FluidFM技術(shù)對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞與基底之間的粘附力進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，衰老的細(xì)胞與正常細(xì)胞存在著nN級(jí)別粘附力差異。如下圖所示：

FluidFM技術(shù)用于衰老與正常細(xì)胞的單細(xì)胞粘附力測(cè)定。

對(duì)比衰老小、大和正常細(xì)胞的細(xì)胞尺寸（a）、細(xì)胞粘附力（b）和細(xì)胞周長(zhǎng)（c）及單細(xì)胞粘附力/面積（e）和單細(xì)胞粘附力/周長(zhǎng)（f）的變化。

    研究者認(rèn)為，衰老內(nèi)皮細(xì)胞的粘附力增加是與細(xì)胞的粘著斑增加有關(guān)，表明衰老細(xì)胞能夠加強(qiáng)與基質(zhì)的相互作用從而防止內(nèi)皮剝脫，但是受制于血流的影響這種能力受到了很大限制。

應(yīng)用舉例二：FluidFM揭示應(yīng)力依賴性酵母交配中的分子相互作用

    性凝集素是芽殖酵母釀酒酵母介導(dǎo)細(xì)胞聚集交配的關(guān)鍵蛋白。交配細(xì)胞表達(dá)的互補(bǔ)凝集素類“a”型和“α”型的結(jié)合是促進(jìn)細(xì)胞的凝集和融合的關(guān)鍵。Marion Mathelié-Guinlet等通過(guò)測(cè)量“a”型和“α”型結(jié)合的單個(gè)特定鍵的強(qiáng)度（~100 pN），發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)細(xì)胞間的接觸能夠極大地增加了交配細(xì)胞間的粘附力，而這種增強(qiáng)可能是由于凝集素的表達(dá)。

FluidFM技術(shù)用于酵母屬間交配過(guò)程單細(xì)胞力譜測(cè)量。

MATa與MATα相互作用的示意圖（a）和Fluid測(cè)量細(xì)胞間相互作用示意圖（b）及測(cè)量結(jié)果（c）；用DTT和DEPC藥物刺激研究二硫鍵和His₂₇₃對(duì)粘附的影響（d）、其示機(jī)制意圖（e）和無(wú)粘附、DTT和DEPC粘附發(fā)生的概率（f）；以及物理應(yīng)力增強(qiáng)MATa和MATα細(xì)胞之間的粘合力（g）、發(fā)生頻率（h）及破裂長(zhǎng)度（i）。

    此外，研究組發(fā)現(xiàn)凝集素二硫鍵在粘附過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用，而這一作用主要來(lái)自于α-凝集素的組氨酸殘基His₂₇₃。更為有趣的是，作者發(fā)現(xiàn)機(jī)械張力增強(qiáng)了相互作用的強(qiáng)度，這可能是由于激誘導(dǎo)凝集素構(gòu)象從弱結(jié)合折疊狀態(tài)轉(zhuǎn)換成強(qiáng)綁定伸展?fàn)顟B(tài)導(dǎo)致。這項(xiàng)研究很好地展現(xiàn)了一種理解控制酵母性別的復(fù)雜機(jī)制的可能方法。

總結(jié)
    細(xì)胞粘附力測(cè)定在細(xì)胞生命科學(xué)研究中起著至關(guān)重要的作用，然而傳統(tǒng)手段中有著各種各樣的局限性，主要原因是缺乏一種能夠有效抓取細(xì)胞并進(jìn)行力學(xué)測(cè)定的手段�，F(xiàn)如今FluidFM技術(shù)在細(xì)胞粘附力測(cè)定中的使用，使得研究者們有了一種能夠有效、低損的方式抓取細(xì)胞，配合原子力顯微鏡的精確測(cè)量的特性，真正意義上做到精準(zhǔn)、無(wú)損、快速的測(cè)量單細(xì)胞粘附力，幫助研究者尋找細(xì)胞粘附力與細(xì)胞生命發(fā)展、腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系。

相關(guān)產(chǎn)品：
1、多功能單細(xì)胞顯微操作系統(tǒng)- FluidFM OMNIUM
http://tenergyglobal.com/show1equip.asp?equipid=4310883