美新技術同時精確測量多個細胞體重

日期：2016-09-06 09:11:32

最近，美國麻省理工學院（MIT）發明的一種新技術，可以同時精確地測量許多單細胞的生長。這一進展有望帶來快速的藥物測試，對“更大細胞群體中單個細胞之間的生長差異”提供了新的見解，并有助于跟蹤不斷變化的環境條件下的細胞動態生長。這一技術發表在《Nature Biotechnology》雜志。

這種技術利用大量的懸浮微孔道諧振器（SMR）——一種微流體裝置，可測量流經微孔道的大多數細胞。一種新的設計使該設備的通量增加了近兩個數量級，同時保持精確度。這項研究的資深作者、麻省理工學院的Scott Manalis教授和其他研究人員，致力于發展SMRs已經有近十年的時間。2012年，他們在之前研發的一個微流體設備（暫停通道諧振器SMR，用來檢測細胞的重量）的基礎上，進行了大規模改動，將其用于細胞周期檢測，可以分析單個細胞在經過100小時生長后多代的情況（Nat Methods：向阿基米德學習細胞周期檢測方法）。在今年1月份，他們通過將復雜的RNA測序技術與分離單個細胞及其后代的新裝置相結合，可追蹤來自一個“祖先”的幾代細胞的詳細譜系。相關研究結果發表在《Nature Communications》。

在這項新的研究中，研究人員使用該設備來觀察抗生素和抗菌肽對細菌的影響，并指出細胞群體中單個細胞的生長變化，這具有重要的臨床應用價值。例如，生長較慢的細菌有時會對抗生素產生耐藥性，并可能導致復發性的感染。

麻省理工學院生物工程和機械工程系教授Manalis表示：“該設備對于細胞如何生長并對藥物產生反應，提供了新的見解。”該論文的第一作者是Nathan Cermak——最近從麻省理工學院計算和系統生物學項目畢業的博士生，和Selim Olcum——Koch研究所的科學家。其他13名共同作者來自于Koch研究所、MIT微系統技術實驗室、Dana-Farber癌癥研究所、Innovative Micro Technology和CEA LETI。

很多的希望

Manalis和他的同事們在2007年首次開發了SMR，后來推出了多種創新用于不同的目的，包括隨時間的推移跟蹤單個細胞的生長、測量細胞密度、稱量細胞分泌的囊泡，就在最近，測量不斷變化的營養條件下細胞的短期生長反應。

所有這些技術都依賴于一個關鍵的方案：一條充滿液體的微通道，被蝕刻在一個微小的硅懸臂梁傳感器上，它在一個真空腔中震動。當一個細胞進入懸臂梁時，它會稍微改變傳感器的振動頻率，這個信號可以用來確定細胞的重量。為了測量一個細胞的生長速率，Manalis和同事們讓單個細胞反復來回地通過通道，經過了約20分鐘的一段時間。在這段時間里，一個細胞可以積累的質量可以通過SMR加以衡量。雖然SMR稱量細胞的重量，可能比其他方法精確10到100倍，但是它被限制在每次一個細胞，從而意味著它可能需要幾個小時，甚至幾天的時間，才能測量足夠多的細胞。

這一新技術的關鍵在于，設計和控制一批（10到12個）懸臂傳感器，它們就像稱重站，當每個細胞流經這個郵票大小的設備時，它會記錄每個細胞的質量。在每個傳感器之間是彎曲的“延遲通道”，每一個長度約五厘米，細胞流經它的時間約為兩分鐘，從而使它們在到達下一個傳感器之前有時間生長。當一個細胞退出一個傳感器時，另一個細胞可以進入，從而增加了設備的吞吐量。這些結果顯示了每個傳感器上的每一個細胞的質量，將它們生長或縮小的程度用圖形繪制出來。

在這項研究中，研究人員每小時能夠測量大約60個哺乳動物細胞和150種細菌，而單一的SMR在同一時間內只能測量幾個細胞。Cermak說：“能夠快速測量生長速率的完整分布，告訴我們典型的細胞是如何表現的，也讓我們發現異常值——這在以前是很難，因為吞吐量和精度都是有限的。”

同時測量許多單細胞的一種類似方法，被稱為定量相顯微鏡（QPM），其通過測量細胞的光學厚度來計算細胞的干重。不同于SMR為基礎的方法，QPM可以用于生長粘附在表面的細胞。然而，SMR法更加精確。Olcum說：“我們能夠在約20分鐘的時間里，可靠地解決一個癌癥細胞質量的不到百分之0.1。這個精度已被證明對于許多臨床應用是必不可少的，也是我們一直追求的。”

新的藥物測試能力

在使用該裝置的一個實驗中，研究人員觀察到了一種抗生素（稱為卡那霉素）對大腸桿菌的作用。卡那霉素可抑制細菌中蛋白質的合成，最終停止它們的生長并殺死細胞。

傳統的抗生素測試需要培養細菌，這可能需要一天或更多的時間。使用這種新的設備，在一個小時內，研究人員就能記錄下細胞積累質量的變化率。記錄時間減少，是測試藥物對抗臨床細菌感染的關鍵，Manalis說：“在某些情況下，有一個快速檢測法用于選擇抗生素，可使患者生存率帶來重大的變化。”

同樣，研究人員使用該裝置來觀察抗菌肽（稱為CM15）對細菌的影響。這種候選抗菌劑越來越重要，因為細菌菌株對普通抗生素產生了耐藥性。CM15可在細菌的細胞壁產生微小的孔，這就使得細胞的內容物逐漸泄漏出來，從而最終殺死細胞。然而，因為只有細胞的質量發生變化，而它的大小卻不發生變化，所以，傳統的顯微鏡技術可能會漏掉一些影響。事實上，研究人員觀察到，大腸桿菌細胞在暴露CM15后就迅速失去質量。Manalis說，這些結果通過對該機制提出一些見解，可以為肽和其他新型藥物提供驗證。

研究人員目前正在與Dana Farber癌癥研究所的成員合作，通過麻省理工學院/ DFCI Bridge項目，來確定是否可以用該設備，在抗癌藥物存在時，通過測量腫瘤細胞的腫瘤，來預測患者對治療的反應。