新平臺可更快 更輕松地測量細胞產(chǎn)生的力

當(dāng)最好的工具不能勝任這項工作時，工程師會找出方法來構(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)來測量細胞在周圍環(huán)境中產(chǎn)生的力。

今年早些時候，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)新的無參考TFM平臺，使研究人員能夠使用在更少的時間內(nèi)完成更多的測量。

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平臺以及如何實施他們開發(fā)的用于獲取高通量細胞測量的軟件，該協(xié)議已于10月在可視化實驗雜志。

斯萊特說：“這是解決長期存在問題的一種非常優(yōu)雅的工程解決方案。”

牽引力顯微鏡

人體包含約37萬億個細胞。在每個組織中，細胞通過細胞外基質(zhì)(一個包含水，蛋白質(zhì)和酶的分子網(wǎng)絡(luò))支撐在一起，以支持細胞。

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

UD研究小組通過跟蹤這些熒光標記物的運動來測量每個細胞產(chǎn)生的力。圖片來源：特拉華大學(xué)

斯萊特研究細胞如何與周圍環(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)細胞附著到凝膠表面并拉動凝膠表面時，用戶會拍攝圖像以顯示細胞的受力狀態(tài)。然后，去除或放松細胞，并拍攝第二張圖像。通過測量熒光顆粒在兩個圖像之間移動了多遠，用戶可以計算出細胞產(chǎn)生的應(yīng)力和作用力。

傳統(tǒng)的TFM有一些缺點。吞吐率相當(dāng)?shù)?，通常僅允許在合理的時間內(nèi)測量少數(shù)細胞，并且通常必須破壞或移除所測量的細胞以產(chǎn)生無細胞的參考圖像，以進行應(yīng)變測量和測力計算。

Slater決定構(gòu)建更好的，無損的東西，并適合更高通量的測試。他說，該團隊開發(fā)了一種在內(nèi)置零應(yīng)力狀態(tài)下執(zhí)行TFM的方法，因此您不必在沒有細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)將熒光標記物置于凝膠內(nèi)的高度規(guī)則的三維陣列中。

斯萊特說：“采用傳統(tǒng)的方法，您只需將球體放入其中，就無法控制它們的位置。它們無處不在。” “這就是為什么您必須刪除或放松細胞以獲得零應(yīng)力狀態(tài)的原因。對于我們來說，我們確切地知道標記的位置，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，因為這樣常規(guī)數(shù)組。”

這樣可以進行更高通量的測量。例如，該團隊最近在很短的時間內(nèi)測量了60多個單元產(chǎn)生的力。

他說：“我們的目標是將其與免疫熒光等其他檢測方法相結(jié)合，因為這些細胞無需去除或放松。” “我們正在使用它來了解細胞產(chǎn)生的力在調(diào)節(jié)細胞命運中所起的作用，重點是干細胞分化，癌細胞行為和血管功能。”

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)會細胞與分子生物工程特別興趣小組授予的新星獎。