細胞的力學(xué)表型是細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的重要指標，它與細胞狀態(tài)和細胞功能密切相關(guān)。力學(xué)表型的改變能反映包括細胞周期進展、惡性腫瘤、白細胞活化和干細胞分化等細胞活動過程。同時，細胞力學(xué)表型的測量能擺脫對外部標簽（例如熒光染料）的依賴。因此，它構(gòu)成了細胞鑒定的一個重要的非侵入性生物標志量。此外，由于細胞力學(xué)表型決定了細胞對其周遭環(huán)境力的反應(yīng)的大小，細胞力學(xué)表型還可以為細胞生命活動過程的觀測提供一個新穎的生物物理視角。傳統(tǒng)的細胞力學(xué)表型測量利用原子力顯微鏡、微吸管抽吸、光學(xué)拉伸和平行板流變學(xué)等方法，來量化暴露于外部應(yīng)力下的單個細胞的形變。這些方法可以評估力在時間軸上的響應(yīng)狀況，并能夠提取細胞的物理特性，如彈性模量或粘度。然而，這些方法受到技術(shù)要求高、流程耗時長的限制，很難在專業(yè)實驗室以外的地方實現(xiàn)高通量的測量。在這種情況下，基于微流控的方法則是一個很有吸引力的選擇。微流控系統(tǒng)可以通過監(jiān)測細胞在外力作用下的形變能力進行可靠的、高通量的評估，并能夠?qū)蛸|(zhì)和異質(zhì)細胞群體進行徹底的表征。

近期，來自德累斯頓工業(yè)大學(xué)（Technische Universit?t Dresden）、加州大學(xué)（University of California）和麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）的研究人員在Nature methods上發(fā)表了題為“A comparison of microfluidic methods for high-throughput cell deformability measurements”的文章，該文章提出了一項標準化的交叉實驗研究，比較了三種基于微流控的測量細胞力學(xué)表型的方法：收縮型形變能力細胞儀（cDC）、剪切流形變能力細胞儀（sDC）和拉伸流形變能力細胞儀（xDC）（圖1）。

這三種方法都能測量暴露于不同滲透壓下引起的細胞形變，并可用來確定導(dǎo)致形變能力變化的細胞結(jié)構(gòu)，然而這些方法間卻從未有過橫向的比較。研究人員于是進行了一項標準化的交叉實驗研究，比較了三種形變細胞術(shù)各自最有代表性的實驗方法， 從而進一步加深了人們對不同形變能力細胞測定方法適用性的理解，并為解釋使用不同平臺進行的形變能力測量提供了支撐。

圖1 基于微流控的細胞形變測定能力的方法比較

該研究分別使用cDC、sDC和xDC三種方法，評估了來自相同來源和傳代數(shù)的人源早幼粒細胞白血?。℉L60）細胞在發(fā)生滲透變化和Latrunculin B（LatB）誘導(dǎo)的肌動蛋白解體的狀態(tài)下的形變程度。

首先，研究人員將HL60細胞在400-700mOsm的溶液中脫水十分鐘（圖2a）。然后，將這些經(jīng)過不同濃度的高滲溶液處理過的細胞分別通過cDC、sDC和xDC，并觀察其形變程度。將數(shù)據(jù)經(jīng)過標準化處理后，能看到相對形變（RD，relative deformation）在不同的力學(xué)表型儀器上所表現(xiàn)出來的隨高滲溶液滲透程度的變化趨勢是一致的（圖2e）。理論上，當細胞處于高滲溶液中時，細胞內(nèi)的水分會向外排出，使得細胞內(nèi)細胞器的排布更加緊密，從而增強細胞的強度。由此，可以得出結(jié)論，即細胞內(nèi)膠體組分的堆積密度誘導(dǎo)的形變是可以在所有測試方法中測量到的。

圖2 滲透壓變化對細胞形變能力的影響

然而關(guān)于監(jiān)測LatB誘導(dǎo)的肌動蛋白解體的情況，不同的儀器則會得出不同的結(jié)論。LatB能清除肌動蛋白單體，從而引起肌動蛋白細胞骨架的解體（圖3a）。首先，HL60細胞被不同濃度的LatB溶液預(yù)處理， 然后再分別通入cDC、sDC和xDC儀器中，并觀察其形狀變化。經(jīng)分析數(shù)據(jù)可知發(fā)現(xiàn)，cDC和sDC對于細胞形變程度的變化較為接近，而xDC則對于細胞由LatB誘導(dǎo)所致的肌動蛋白解體情況不能進行很好的監(jiān)測 （圖3e）。該團隊經(jīng)分析比較推測其主要原因是不同儀器中所產(chǎn)生的應(yīng)變率會有所區(qū)別。cDC與sDC能產(chǎn)生相近的應(yīng)變率，而xDC則產(chǎn)生了更高的應(yīng)變率，而在高應(yīng)變大小和應(yīng)變率下，能觀察到肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)的流態(tài)化。

圖3 LatB誘導(dǎo)的肌動蛋白解體對細胞形變能力的影響

除了測量細胞的形變程度以外，上面提出的三種測量方式，每一種都具有能拓寬基礎(chǔ)測量維度的一些不同的功能。如cDC就能提供更多的參數(shù)，例如進入和過境速度，來描述細胞通過狹窄流道的過程，并能夠敏感地讀出細胞的浮力質(zhì)量。sDC的突出特點是數(shù)據(jù)處理的實時性，這使得該方法能夠兼容形變分析下游的主動排序。此外，對于sDC來說，它擁有集成類細胞分選儀（FACS）的潛力，并具有從形變數(shù)據(jù)中提取楊氏模的理論框架。與此同時，xDC則能實現(xiàn)更高的通量。所有這三個系統(tǒng)，都能與明場細胞成像技術(shù)進行整合，以獲取更多的基于圖像的細胞表征數(shù)據(jù)。

將力學(xué)表征與當前的細胞行為觀點相結(jié)合，將為更全面地理解生理和病理過程鋪平道路，并具有及重要的潛在的臨床診斷價值。

論文鏈接：

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

審核編輯 ：李倩