細胞微管吸吮系統
微量吸管 - 一種測量細胞機械性能的廉價方法
我們如何測量細胞的機械性能?
能夠量化細胞的機械特性可以成為調查和診斷不同病理的有用工具。從處理精細的單個細胞,以及操縱它們所需的小力以及它們的小尺寸來看,使用傳統的材料特性測量方法是不可行的。
用于測量細胞粘彈性的zui便宜和zui早的技術是微量吸管。它依賴于通過微量移液器通過施加負壓(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/抽吸細胞。手先將細胞固定在微量移液器的尖端,然后用吸力將細胞吸入管內。
為了量化細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胞的位置。如上圖所示,這種行為由集總參數模型預測,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行建模)。
經歷微量吸管的細胞所顯示的變形由于其剛度而顯示出線性彈性響應,并且由于其粘性行為而顯示出蠕變響應。這種反應是不同類型細胞所du有的;例如,白細胞的硬度低于軟骨細胞。這種細胞剛度的差異會影響細胞相互作用的方式以及它們受周圍環境影響的方式。微量移液器抽吸是一種通用技術,可以量化許多不同細胞類型的剛度。
總的來說,細胞表現為粘彈性材料:它們具有固體和流體的特性。細胞的細胞骨架決定了其作為固體的剛度特性,而細胞質決定了其作為液體的粘性特性,從而導致在細胞中看到的特征性蠕變響應。
通常我們認為細胞是化學湯的囊,化學工廠容納各種代謝過程,但細胞的剛度和其他機械特性對于以下功能同樣重要:
? 細胞復制
? 運動
? 細胞信號
? 細胞內運輸
? 細胞間運輸
數十年的研究揭示了細胞的結構,是什么賦予了它們形狀以及它們如何對施加的機械力做出反應。細胞具有不斷變化的“棍子”和“繩子”(即分別為微管和肌動蛋白絲)的支架,既允許與環境發生機械相互作用,又能引發細胞內的生理反應。不同的病理可以表現為細胞粘彈性的變化。量化細胞機械特性的能力可用于研究和可能診斷不同的病理。
細胞骨架:綠色為微管,紅色為肌動蛋白絲,藍色為細胞核。
盡管進行了數十年的研究,但細胞生物力學的興趣卻緩慢上升。除了微量吸管外,還有許多測量細胞機械性能的方法,包括:
? 原子力顯微鏡
? 光阱或“光鑷”
? 磁珠微流變儀
這些技術具有自身的you勢,例如提高空間分辨率和細胞機械特性的定位;但是,它們需要昂貴的設備。
對細胞力學的興趣和微流控設備的快速采用增加了這種技術在臨床診斷中作為wu標記生物標志物的潛力。它可以闡明醫療設備提供的治療對受影響組織的影響,例如剪切應力對可植入設備中細胞的影響。機械生物學也是干細胞研究中越來越受關注的學科。細胞剛度的影響及其與周圍基質的相互作用對細胞分化和增殖有重大影響,ji大地影響了組織工程的方法。對細胞生物力學的越來越多的考慮為生物醫學工程的挑戰和潛力增加了一個新的維度。
-單細胞粘附力測試,細胞間粘附力測試,細胞與基質材料粘附力測試
該系統是一種安裝在正常倒置顯微鏡上的計算機控制的微量吸管系統,量化細胞形變、細胞間粘附作用和細胞與基質之間的粘附作用,可同步實現熒光觀測、單細胞捕獲、分選和分離和圖像視頻處理。
使用專利保護的脈沖負壓為動力,玻璃毛細管為工具,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細胞培養板采集單細胞或細胞克隆,并且對細胞活性影響輕微。采集的細胞可以再培養,和用作下游各種單細胞分析。
該系統還可以從復雜異質性組織,比如腦組織,根據組織病理學,熒光標記和解剖學,采集單細胞和特異性的解剖學區域。
可在已有顯微鏡上搭建的,可同步實驗吸吮加載、圖像視頻處理與熒光觀測的細胞力學裝置。可建立微管吸吮力學加載-熒光觀測耦合的分子-細胞動力學實時原位觀測系統。
單個細胞粘附力測定模式圖:
細胞與細胞之間粘附力測定模式圖:
通過施加負壓將細胞的一部分(或整體)吸入微管中,測量一定負壓吸吮作用下細胞的變形及其時間歷程或細胞粘附分離的臨界負壓來評價細胞的變形特性,同時記錄細胞的吸入量。
圖像處理技術和力學模型,量化測量細胞形變、細胞對之間的相互作用以及黏附特性、基質附著細胞測定細胞硬度等力學特性。
壓電微管吸吮模塊:對樣品池內細胞的捕獲、分選、吸吮和微操控;
集成倒置熒光相差顯微鏡:用于對所述細胞進行熒光激發;
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,并進行數據分析處理