新型微傳感器揭示細胞增殖機制及物理特性

日期：2010-11-17 10:35:19

近日由伊利諾大學的電子和計算機工程學以及生物工程學教授Rashid Bashir領導的科研小組利用一種新型的微傳感器揭示了細胞質量與細胞增殖率之間的關系，研究結果在線發表在《美國科學院院刊》（PNAS）雜志上。

“新型微傳感器是微型工程學和細胞生物學技術融合的產物，”伊利諾大學微納米技術工程學實驗室的主管Bashir說：“新工具將推動生物學的發展，幫助我們解答細胞生物學、癌癥研究及組織工程學一系列重要問題。”

揭示細胞生長和分裂的機制不僅對于基礎生物學，并且對于診斷、藥物開發、組織工程學及了解癌癥機制都具有重要的意義。例如了解這些過程中的關鍵機制有助于確定特異的藥物靶點以減慢或阻止癌細胞失控性生長。

長期以來生物學家都存在一個疑問即細胞是以固定的速率增長或是隨著細胞質量增加相應細胞生長亦加速？由于過去的研究通常利用積聚的細胞群進行研究，因而無法確定單個細胞生長的模式。

利用小型敏感的微傳感器，伊利諾大學的研究人員追蹤了單個結腸癌細胞形成的細胞團及其分裂過程。研究人員發現細胞并不是在整個細胞周期中以相同的速率生長，而是隨著細胞質量增加生長速度不斷加快。

微傳感器一種集成在硅芯片上的微小的懸浮結構。每個微傳感器僅有50微米寬，相當于人一根頭發一半的寬度。這種懸浮的結構能以特定的頻率振動，并隨著質量增加而發生改變。隨著細胞質量增加，傳感器的共振頻率下降。

“傳感器結構越小對放置在上面的細胞質量越敏感，”Bashir說：“一個細胞通常只有幾毫克重或更小。如果我們能夠將傳感器制作得足夠小，那么它就會對細胞的質量非常的敏感。”

研究人員開發了一種陣列傳感器芯片，在這種芯片上研究人員采用與培養皿相似的方法對細胞進行培養，這使得他們能夠在獲得多個細胞的數據的同時亦可以對單個細胞進行檢測。

這些微傳感器的另一個優點在于當細胞在傳感器上生長時，研究人員可通過顯微鏡獲得細胞的圖像。通過觀察這些細胞，研究人員追蹤了各種細胞過程與細胞質量變化之間的聯系。

“以圖像作為對照，我們能確實地觀察到細胞分裂和生長，并將其與檢測結果聯系起來。它能夠真實地驗證我們所獲得的結果，”Bashir說：“現在我們能夠將光學測量與質量檢測集合到一起。”

通過檢測活細胞及固定細胞，研究人員利用數學模型還可推斷出細胞的物理特性例如硬度。論文的共同作者、機械科學及工程學教授Narayana Aluru和K. Jimmy Hsia進行了廣泛的分析和數值模擬揭示了細胞硬度和接觸對質量測量的影響。

接下來，研究人員計劃將研究范圍擴展到其他細胞系并探索更多的光學測量方法及熒光標記。