細(xì)胞微管吸吮系統(tǒng)
微量吸管 - 一種測量細(xì)胞機(jī)械性能的廉價(jià)方法
我們?nèi)绾螠y量細(xì)胞的機(jī)械性能?
能夠量化細(xì)胞的機(jī)械特性可以成為調(diào)查和診斷不同病理的有用工具。從處理精細(xì)的單個(gè)細(xì)胞,以及操縱它們所需的小力以及它們的小尺寸來看,使用傳統(tǒng)的材料特性測量方法是不可行的。
用于測量細(xì)胞粘彈性的zui便宜和zui早的技術(shù)是微量吸管。它依賴于通過微量移液器通過施加負(fù)壓(例如來自注射泵或流體填充儲液器的靜水壓力的變化)來抽吸/抽吸細(xì)胞。手先將細(xì)胞固定在微量移液器的尖端,然后用吸力將細(xì)胞吸入管內(nèi)。
為了量化細(xì)胞的移液部分通過微量移液管的距離,可以使用顯微鏡跟蹤細(xì)胞的位置。如上圖所示,這種行為由集總參數(shù)模型預(yù)測,該模型將單元表示為彈簧和緩沖器的組合(從而分別對剛度和粘度進(jìn)行建模)。
經(jīng)歷微量吸管的細(xì)胞所顯示的變形由于其剛度而顯示出線性彈性響應(yīng),并且由于其粘性行為而顯示出蠕變響應(yīng)。這種反應(yīng)是不同類型細(xì)胞所du有的;例如,白細(xì)胞的硬度低于軟骨細(xì)胞。這種細(xì)胞剛度的差異會影響細(xì)胞相互作用的方式以及它們受周圍環(huán)境影響的方式。微量移液器抽吸是一種通用技術(shù),可以量化許多不同細(xì)胞類型的剛度。
總的來說,細(xì)胞表現(xiàn)為粘彈性材料:它們具有固體和流體的特性。細(xì)胞的細(xì)胞骨架決定了其作為固體的剛度特性,而細(xì)胞質(zhì)決定了其作為液體的粘性特性,從而導(dǎo)致在細(xì)胞中看到的特征性蠕變響應(yīng)。
通常我們認(rèn)為細(xì)胞是化學(xué)湯的囊,化學(xué)工廠容納各種代謝過程,但細(xì)胞的剛度和其他機(jī)械特性對于以下功能同樣重要:
? 細(xì)胞復(fù)制
? 運(yùn)動
? 細(xì)胞信號
? 細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸
? 細(xì)胞間運(yùn)輸
數(shù)十年的研究揭示了細(xì)胞的結(jié)構(gòu),是什么賦予了它們形狀以及它們?nèi)绾螌κ┘拥臋C(jī)械力做出反應(yīng)。細(xì)胞具有不斷變化的“棍子”和“繩子”(即分別為微管和肌動蛋白絲)的支架,既允許與環(huán)境發(fā)生機(jī)械相互作用,又能引發(fā)細(xì)胞內(nèi)的生理反應(yīng)。不同的病理可以表現(xiàn)為細(xì)胞粘彈性的變化。量化細(xì)胞機(jī)械特性的能力可用于研究和可能診斷不同的病理。
細(xì)胞骨架:綠色為微管,紅色為肌動蛋白絲,藍(lán)色為細(xì)胞核。
盡管進(jìn)行了數(shù)十年的研究,但細(xì)胞生物力學(xué)的興趣卻緩慢上升。除了微量吸管外,還有許多測量細(xì)胞機(jī)械性能的方法,包括:
? 原子力顯微鏡
? 光阱或“光鑷”
? 磁珠微流變儀
這些技術(shù)具有自身的you勢,例如提高空間分辨率和細(xì)胞機(jī)械特性的定位;但是,它們需要昂貴的設(shè)備。
對細(xì)胞力學(xué)的興趣和微流控設(shè)備的快速采用增加了這種技術(shù)在臨床診斷中作為wu標(biāo)記生物標(biāo)志物的潛力。它可以闡明醫(yī)療設(shè)備提供的治療對受影響組織的影響,例如剪切應(yīng)力對可植入設(shè)備中細(xì)胞的影響。機(jī)械生物學(xué)也是干細(xì)胞研究中越來越受關(guān)注的學(xué)科。細(xì)胞剛度的影響及其與周圍基質(zhì)的相互作用對細(xì)胞分化和增殖有重大影響,ji大地影響了組織工程的方法。對細(xì)胞生物力學(xué)的越來越多的考慮為生物醫(yī)學(xué)工程的挑戰(zhàn)和潛力增加了一個(gè)新的維度。
-單細(xì)胞粘附力測試,細(xì)胞間粘附力測試,細(xì)胞與基質(zhì)材料粘附力測試
該系統(tǒng)是一種安裝在正常倒置顯微鏡上的計(jì)算機(jī)控制的微量吸管系統(tǒng),量化細(xì)胞形變、細(xì)胞間粘附作用和細(xì)胞與基質(zhì)之間的粘附作用,可同步實(shí)現(xiàn)熒光觀測、單細(xì)胞捕獲、分選和分離和圖像視頻處理。
使用專利保護(hù)的脈沖負(fù)壓為動力,玻璃毛細(xì)管為工具,可以和大部分倒置顯微鏡配合使用,可以快速和精雀地直接從常規(guī)細(xì)胞培養(yǎng)板采集單細(xì)胞或細(xì)胞克隆,并且對細(xì)胞活性影響輕微。采集的細(xì)胞可以再培養(yǎng),和用作下游各種單細(xì)胞分析。
該系統(tǒng)還可以從復(fù)雜異質(zhì)性組織,比如腦組織,根據(jù)組織病理學(xué),熒光標(biāo)記和解剖學(xué),采集單細(xì)胞和特異性的解剖學(xué)區(qū)域。
可在已有顯微鏡上搭建的,可同步實(shí)驗(yàn)吸吮加載、圖像視頻處理與熒光觀測的細(xì)胞力學(xué)裝置�？山⑽⒐芪绷W(xué)加載-熒光觀測耦合的分子-細(xì)胞動力學(xué)實(shí)時(shí)原位觀測系統(tǒng)。
單個(gè)細(xì)胞粘附力測定模式圖:
細(xì)胞與細(xì)胞之間粘附力測定模式圖:
通過施加負(fù)壓將細(xì)胞的一部分(或整體)吸入微管中,測量一定負(fù)壓吸吮作用下細(xì)胞的變形及其時(shí)間歷程或細(xì)胞粘附分離的臨界負(fù)壓來評價(jià)細(xì)胞的變形特性,同時(shí)記錄細(xì)胞的吸入量。
圖像處理技術(shù)和力學(xué)模型,量化測量細(xì)胞形變、細(xì)胞對之間的相互作用以及黏附特性、基質(zhì)附著細(xì)胞測定細(xì)胞硬度等力學(xué)特性。
壓電微管吸吮模塊:對樣品池內(nèi)細(xì)胞的捕獲、分選、吸吮和微操控;
集成倒置熒光相差顯微鏡:用于對所述細(xì)胞進(jìn)行熒光激發(fā);
信號采集模塊:用于對微弱熒光信號的采集;
控制模塊:用于對微管吸吮和熒光采集同步觸發(fā),并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理