流式速度检测细胞生物力学特性，单 细胞水平、高通量、无生物标记物

细胞的力学特性与细胞的状况和功能相关，由功能上重要的细胞成分控制，例如细胞骨架，癌细胞比健康细胞更容易变形。它们构成了

一种新兴的无标记生物标志物 ,可以直接了解细胞功能或功能障碍。

细胞力学特性有助于理解和评估药物治疗效果、兔疫细胞活化、干细胞分化、癌症预后或培养细胞的状态和质量的评估。细胞力学构成

了 研究从发育到疾病的主题的关键科学目标。

细胞机械力分型是一种无需标记就可以定量细胞功能性改变的方法，在临床诊断和预后判断等方面有着很大的应用潜力。不过由于细胞

太小,分析单个细胞的机械力特性是很困难的。之前的分析方法技术含量高、操作复杂、分析量小、检测速度慢。

用流式速度检测单细胞生物力学特性,这种超快速的细胞机械力筛选已经被英国乃至欧洲研究者们广泛接受。并在国际期刊上发表了多

篇文献进行了充分验证。

此方法是利用力和光来描述细胞的新技术,可以流式细胞仪的速度检测单细胞形态和流变学性质。细胞被泵入-个微流体芯片中,同时

对细胞进行实时拍照、分析和存储数据。

此外,还可以对细胞施加非破坏性的力,以研究细胞对应力做出的特异性应答,并将其作为细胞的无标记、内源性生物标志物。可实时

测量、分析、保存所有单细胞参数。

技术原理

高通量单细胞力学测试系统用流体动力使细胞变形:当单个细胞通过狭窄的通道时,周围的流体会产生使单个细胞变形的力。这些力源

于流体内的摩擦力,这会逐渐降低靠近通道壁的流速。通道中的细胞暴露于液体中由此产生的速度梯度，并经历 施加轻柔挤压的力场。

高速成像揭示了由此产生的细胞变形。变形程度表示细胞的刚度。

生物力学

deviation

为了产生确定的力, 孤立的细胞被泵送通过横截面略大于细胞横截面的微通道。周围流体的压力梯度产生流动剖面并使细胞流体动力学

变形。流体的流速和粘度控制作用在细胞上的力。细胞可以通过流体动力变形,力由流速和粘度控制,较软的细胞显示较大的变形。

为了产生确定的力, 孤立的细胞被泵送通过横截面略大于细胞横截面的微通道。周围流体的压力梯度产生流动剖面并使细胞流体动力学

变形。流体的流速和粘度控制作用在细胞上的力。细胞可以通过流体动力变形, 力由流速和粘度控制,较软的细胞显示较大的变形。

高通量单细胞力学测试系统能快速测量单细胞的变形能力。细胞以几厘米秒的速度从右向左流动,通过来自上下两个通道的鞘流集中在

微通道中。系统允许以高达每秒1000个细胞的高速率进行非破坏性的连续测量-比其他细胞力学分析方法(例如,微量移液器抽吸100

个细胞/小时, RT-DC 1,000个细胞秒)提高了10000 倍。

高通量有助于在细胞生物学和临床研究中作为标准分析方法的应用，只需几分钟即可获得具有统计意义的单细胞测量值。通过对细胞大

小或变形能力进行门控,可以检测到低数量的细胞亚群。

应用介绍

1血液制品的质量控制

细胞类型:血小板、红细胞、干细胞

结果:本研究中的作者使用带有FluorescenceModule的AcCellerator系统解决了如何评估血小板浓缩物、红细胞和造血干细胞等细胞

血液产品的问题,这些产品可以无标记地从小样本量中进行评估。作者展示了RT-DC作为一种强大的质量控制工具的应用,以监测储存

在不同温度下的血小板的状态,并通过纳米颗粒暴露来验证细胞内的变化。此外，他们使用机械表型来强调PVCxue袋中的增塑剂对红细

胞流变学的影响。后,他们调查了冷冻保护剂的影响造血干细胞的力学特性。总而言之，该研究表明 ,实时变形细胞术可用作具有高度

创新潜力的无标记诊断。

2转化医学一-悬浮心肌 细胞的无标记表征

细胞类型:心肌细胞、人源性多能干细胞

结果:人类诱导多能干细胞(hiPSC)在基础研究和转化研究中越来越受到关注。特别是再生医学将这些细胞视为替代组织的来源,例如

在事故发生后。在Pires等人的作品中。研究人员探索了RT-DC在表征hiPSC衍生的心肌细胞方面的潜力, 这些心肌细胞构成了心脏的

-种重要细胞类型。研究人员可以证明高通量机械表征能够监测这些细胞结构的细微变化。利用这些结果可能允许在移植前对这些细胞

进行无标记评估,而无需荧光标记。

3寄生虫检测

细胞类型:红细胞

结果:使用AcCellerator系统,我们解决了是否可以根据机械细胞变化检测到红细胞(RBC)内疟原虫浸润的问题。在体外感染RBC样品

后,细胞在48小时的寄生虫生命周期内进行了分析。在典型样品中,大约8-10%的所有细胞被感染，与未处理的对照相比,变形减

少。有趣的是,未暴露于寄生虫的受感染样本中的细胞也显示变形减少。这暗示了旁观者效应。

此外,我们利用AcCellerator系统的特性来获取每个单细胞的明场图像。该研究表明,我们的软件能够直接识别细胞内的寄生虫。这表

明直接从图像分析中检测寄生虫的可能性。-个过程，可以在几秒钟内完成。

4人工红细胞的表征品

细胞类型:红细胞

用于献血的治疗性红细胞(RBC)的生产是一个重要的研究领域。主要挑战之一是区分 有核和去核红细胞。后者仍然含有细胞核，需要在

任何临床应用之前从人工血样中取出。使用AcCellerator ,我们以超过每秒1,000个细胞的吞吐率证明了我们的系统可以区分两种RBC类

型。将来，我们的机械细胞分析与无标记分选策略的结合将有助于生产纯化的人工血样。

5解析中性粒细胞活化的动力学

细胞类型:中性粒细胞

结果:高测量速率和快速样品制备允许观察动力学过程。下图显示了 当来自新鲜血液的中性粒细胞暴露于甲酰甲硫氨酰亮氨酰苯bing氨

酸(MLP)时机械性能的变化。三肽fMLP由许多细菌释放,并向免疫系统细胞发出感染信号。

6检测细胞骨架的变化

细胞类型: HL60

结果:细胞骨架的改变可以通过机械分析来量化。Cytochalasin D对肌动蛋白微丝的消耗导致更高的变形,因此降低了HL60 细胞的刚

度。下图显示了处理和未处理细胞的叠加。

7调查过去条件的影响

细胞类型:造血干细胞、CD34阳性细胞

结果:原代人类造血干细胞(HSC)通常通过跨膜蛋白CD34的存在来识别。下图比较了从骨髓获得的CD34+细胞和通过粒细胞集落刺

激因子(G-CSF)动员到外周血中的CD34+细胞。虽然根据其CD34+分类相同,但源自外周血的HSC比源自骨髓的HSC更硬。

用户

用户1 

University Heidelberg and Max Planck Institute for Medical Research

Dr. Kerstin G?pfrich, Max Planck Research Group Leader

Biophysical Engineering Group

德国海德堡大学和马克斯普朗克医学研究所

马克斯普朗克研究小组负责人Kerstin G?pfrich博士

生物物理工程研究小组

研究方向:

试图设计具有新组装、信息传播和复制方式的细胞。

为实现这一-目标,他们将生物物理工具(包括DNA折纸、微流体、脂质囊泡和3D打印)与实验方法(如共聚焦和高速显微镜、原子力

显微镜、冷冻电子显微镜和计算方法)相结合。

目前从事以下项目:

用于合成细胞的DNA纳米技术和DNA折纸

合成细胞中的对称性破坏

基于膜的隔室的力学

合成细胞与3D打印

信息编码和处理