基于微流控的测量细胞力学表型的方法

细胞的力学表型是细胞内部结构变化的重要指标，它与细胞状态和细胞功能密切相关。力学表型的改变能反映包括细胞周期进展、恶性肿瘤、白细胞活化和干细胞分化等细胞活动过程。同时，细胞力学表型的测量能摆脱对外部标签（例如荧光染料）的依赖。因此，它构成了细胞鉴定的一个重要的非侵入性生物标志量。此外，由于细胞力学表型决定了细胞对其周遭环境力的反应的大小，细胞力学表型还可以为细胞生命活动过程的观测提供一个新颖的生物物理视角。传统的细胞力学表型测量利用原子力显微镜、微吸管抽吸、光学拉伸和平行板流变学等方法，来量化暴露于外部应力下的单个细胞的形变。这些方法可以评估力在时间轴上的响应状况，并能够提取细胞的物理特性，如弹性模量或粘度。然而，这些方法受到技术要求高、流程耗时长的限制，很难在专业实验室以外的地方实现高通量的测量。在这种情况下，基于微流控的方法则是一个很有吸引力的选择。微流控系统可以通过监测细胞在外力作用下的形变能力进行可靠的、高通量的评估，并能够对匀质和异质细胞群体进行彻底的表征。

近期，来自德累斯顿工业大学（Technische Universit?t Dresden）、加州大学（University of California）和麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的研究人员在Nature methods上发表了题为“A comparison of microfluidic methods for high-throughput cell deformability measurements”的文章，该文章提出了一项标准化的交叉实验研究，比较了三种基于微流控的测量细胞力学表型的方法：收缩型形变能力细胞仪（cDC）、剪切流形变能力细胞仪（sDC）和拉伸流形变能力细胞仪（xDC）（图1）。

这三种方法都能测量暴露于不同渗透压下引起的细胞形变，并可用来确定导致形变能力变化的细胞结构，然而这些方法间却从未有过横向的比较。研究人员于是进行了一项标准化的交叉实验研究，比较了三种形变细胞术各自最有代表性的实验方法， 从而进一步加深了人们对不同形变能力细胞测定方法适用性的理解，并为解释使用不同平台进行的形变能力测量提供了支撑。

图1 基于微流控的细胞形变测定能力的方法比较

该研究分别使用cDC、sDC和xDC三种方法，评估了来自相同来源和传代数的人源早幼粒细胞白血病（HL60）细胞在发生渗透变化和Latrunculin B（LatB）诱导的肌动蛋白解体的状态下的形变程度。

首先，研究人员将HL60细胞在400-700mOsm的溶液中脱水十分钟（图2a）。然后，将这些经过不同浓度的高渗溶液处理过的细胞分别通过cDC、sDC和xDC，并观察其形变程度。将数据经过标准化处理后，能看到相对形变（RD，relative deformation）在不同的力学表型仪器上所表现出来的随高渗溶液渗透程度的变化趋势是一致的（图2e）。理论上，当细胞处于高渗溶液中时，细胞内的水分会向外排出，使得细胞内细胞器的排布更加紧密，从而增强细胞的强度。由此，可以得出结论，即细胞内胶体组分的堆积密度诱导的形变是可以在所有测试方法中测量到的。

图2 渗透压变化对细胞形变能力的影响

然而关于监测LatB诱导的肌动蛋白解体的情况，不同的仪器则会得出不同的结论。LatB能清除肌动蛋白单体，从而引起肌动蛋白细胞骨架的解体（图3a）。首先，HL60细胞被不同浓度的LatB溶液预处理， 然后再分别通入cDC、sDC和xDC仪器中，并观察其形状变化。经分析数据可知发现，cDC和sDC对于细胞形变程度的变化较为接近，而xDC则对于细胞由LatB诱导所致的肌动蛋白解体情况不能进行很好的监测 （图3e）。该团队经分析比较推测其主要原因是不同仪器中所产生的应变率会有所区别。cDC与sDC能产生相近的应变率，而xDC则产生了更高的应变率，而在高应变大小和应变率下，能观察到肌动蛋白网络的流态化。

图3 LatB诱导的肌动蛋白解体对细胞形变能力的影响

除了测量细胞的形变程度以外，上面提出的三种测量方式，每一种都具有能拓宽基础测量维度的一些不同的功能。如cDC就能提供更多的参数，例如进入和过境速度，来描述细胞通过狭窄流道的过程，并能够敏感地读出细胞的浮力质量。sDC的突出特点是数据处理的实时性，这使得该方法能够兼容形变分析下游的主动排序。此外，对于sDC来说，它拥有集成类细胞分选仪（FACS）的潜力，并具有从形变数据中提取杨氏模的理论框架。与此同时，xDC则能实现更高的通量。所有这三个系统，都能与明场细胞成像技术进行整合，以获取更多的基于图像的细胞表征数据。

将力学表征与当前的细胞行为观点相结合，将为更全面地理解生理和病理过程铺平道路，并具有及重要的潜在的临床诊断价值。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41592-020-0818-8

审核编辑 ：李倩