新平臺(tái)可更快 更輕松地測(cè)量細(xì)胞產(chǎn)生的力

當(dāng)最好的工具不能勝任這項(xiàng)工作時(shí)，工程師會(huì)找出方法來(lái)構(gòu)建新工具。特拉華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)助理教授約翰·斯萊特(John Slater)就是采用了一種稱為牽引力顯微鏡(TFM)的技術(shù)，科學(xué)家，工程師和生物物理學(xué)家通常使用這種技術(shù)來(lái)測(cè)量細(xì)胞在周圍環(huán)境中產(chǎn)生的力。

今年早些時(shí)候，Slater，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)博士生Omar Banda和特拉華生物技術(shù)研究所生物成像中心副科學(xué)家Chandran R. Sabanayagam 在ACS Applied Materials&Interfaces雜志上描述了他們?nèi)绾伍_發(fā)新的無(wú)參考TFM平臺(tái)，使研究人員能夠使用在更少的時(shí)間內(nèi)完成更多的測(cè)量。

此外，Slater和Banda編寫了分步協(xié)議，概述了如何使用兩次光子激光掃描光刻制造新的TFM平臺(tái)以及如何實(shí)施他們開發(fā)的用于獲取高通量細(xì)胞測(cè)量的軟件，該協(xié)議已于10月在可視化實(shí)驗(yàn)雜志。

斯萊特說(shuō)：“這是解決長(zhǎng)期存在問(wèn)題的一種非常優(yōu)雅的工程解決方案。”

牽引力顯微鏡

人體包含約37萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞。在每個(gè)組織中，細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞外基質(zhì)(一個(gè)包含水，蛋白質(zhì)和酶的分子網(wǎng)絡(luò))支撐在一起，以支持細(xì)胞。

斯萊特說(shuō)：“單個(gè)細(xì)胞具有肌動(dòng)蛋白應(yīng)激纖維，當(dāng)這些纖維收縮時(shí)，細(xì)胞就會(huì)拉動(dòng)基質(zhì)。” “它在基質(zhì)上的拉力-它產(chǎn)生的總力 -確實(shí)會(huì)影響其行為。” 這種細(xì)胞與環(huán)境的相互作用在調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)方面起著重要作用，并使細(xì)胞能夠感知并反應(yīng)其局部環(huán)境的物理特性。

UD研究小組通過(guò)跟蹤這些熒光標(biāo)記物的運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量每個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生的力。圖片來(lái)源：特拉華大學(xué)

斯萊特研究細(xì)胞如何與周圍環(huán)境相互作用，特別關(guān)注物理相互作用如何影響細(xì)胞行為，并且像該領(lǐng)域的許多科學(xué)家一樣，他也依賴TFM。在傳統(tǒng)的TFM中，熒光納米球被添加到柔性水凝膠中。當(dāng)細(xì)胞附著到凝膠表面并拉動(dòng)凝膠表面時(shí)，用戶會(huì)拍攝圖像以顯示細(xì)胞的受力狀態(tài)。然后，去除或放松細(xì)胞，并拍攝第二張圖像。通過(guò)測(cè)量熒光顆粒在兩個(gè)圖像之間移動(dòng)了多遠(yuǎn)，用戶可以計(jì)算出細(xì)胞產(chǎn)生的應(yīng)力和作用力。

傳統(tǒng)的TFM有一些缺點(diǎn)。吞吐率相當(dāng)?shù)?，通常僅允許在合理的時(shí)間內(nèi)測(cè)量少數(shù)細(xì)胞，并且通常必須破壞或移除所測(cè)量的細(xì)胞以產(chǎn)生無(wú)細(xì)胞的參考圖像，以進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量和測(cè)力計(jì)算。

Slater決定構(gòu)建更好的，無(wú)損的東西，并適合更高通量的測(cè)試。他說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種在內(nèi)置零應(yīng)力狀態(tài)下執(zhí)行TFM的方法，因此您不必在沒(méi)有細(xì)胞的情況下收集參考圖像。為此，他們使用圖像引導(dǎo)的雙光子激光掃描光刻技術(shù)將熒光標(biāo)記物置于凝膠內(nèi)的高度規(guī)則的三維陣列中。

斯萊特說(shuō)：“采用傳統(tǒng)的方法，您只需將球體放入其中，就無(wú)法控制它們的位置。它們無(wú)處不在。” “這就是為什么您必須刪除或放松細(xì)胞以獲得零應(yīng)力狀態(tài)的原因。對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，我們確切地知道標(biāo)記的位置，因此即使在受到壓力的情況下，我們也知道其原始非受力位置在哪里，因?yàn)檫@樣常規(guī)數(shù)組。”

這樣可以進(jìn)行更高通量的測(cè)量。例如，該團(tuán)隊(duì)最近在很短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量了60多個(gè)單元產(chǎn)生的力。

他說(shuō)：“我們的目標(biāo)是將其與免疫熒光等其他檢測(cè)方法相結(jié)合，因?yàn)檫@些細(xì)胞無(wú)需去除或放松。” “我們正在使用它來(lái)了解細(xì)胞產(chǎn)生的力在調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)中所起的作用，重點(diǎn)是干細(xì)胞分化，癌細(xì)胞行為和血管功能。”

在2018年，Slater因這一研究領(lǐng)域而獲得了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)細(xì)胞與分子生物工程特別興趣小組授予的新星獎(jiǎng)。