细胞微管吸吮系统
微量吸管 - 一种测量细胞机械性能的廉价方法
我们如何测量细胞的机械性能?
能够量化细胞的机械特性可以成为调查和诊断不同病理的有用工具。从处理精细的单个细胞,以及操纵它们所需的小力以及它们的小尺寸来看,使用传统的材料特性测量方法是不可行的。
用于测量细胞粘弹性的zui便宜和zui早的技术是微量吸管。它依赖于通过微量移液器通过施加负压(例如来自注射泵或流体填充储液器的静水压力的变化)来抽吸/抽吸细胞。手先将细胞固定在微量移液器的尖端,然后用吸力将细胞吸入管内。
为了量化细胞的移液部分通过微量移液管的距离,可以使用显微镜跟踪细胞的位置。如上图所示,这种行为由集总参数模型预测,该模型将单元表示为弹簧和缓冲器的组合(从而分别对刚度和粘度进行建模)。
经历微量吸管的细胞所显示的变形由于其刚度而显示出线性弹性响应,并且由于其粘性行为而显示出蠕变响应。这种反应是不同类型细胞所du有的;例如,白细胞的硬度低于软骨细胞。这种细胞刚度的差异会影响细胞相互作用的方式以及它们受周围环境影响的方式。微量移液器抽吸是一种通用技术,可以量化许多不同细胞类型的刚度。
总的来说,细胞表现为粘弹性材料:它们具有固体和流体的特性。细胞的细胞骨架决定了其作为固体的刚度特性,而细胞质决定了其作为液体的粘性特性,从而导致在细胞中看到的特征性蠕变响应。
通常我们认为细胞是化学汤的囊,化学工厂容纳各种代谢过程,但细胞的刚度和其他机械特性对于以下功能同样重要:
? 细胞复制
? 运动
? 细胞信号
? 细胞内运输
? 细胞间运输
数十年的研究揭示了细胞的结构,是什么赋予了它们形状以及它们如何对施加的机械力做出反应。细胞具有不断变化的“棍子”和“绳子”(即分别为微管和肌动蛋白丝)的支架,既允许与环境发生机械相互作用,又能引发细胞内的生理反应。不同的病理可以表现为细胞粘弹性的变化。量化细胞机械特性的能力可用于研究和可能诊断不同的病理。
细胞骨架:绿色为微管,红色为肌动蛋白丝,蓝色为细胞核。
尽管进行了数十年的研究,但细胞生物力学的兴趣却缓慢上升。除了微量吸管外,还有许多测量细胞机械性能的方法,包括:
? 原子力显微镜
? 光阱或“光镊”
? 磁珠微流变仪
这些技术具有自身的you势,例如提高空间分辨率和细胞机械特性的定位;但是,它们需要昂贵的设备。
对细胞力学的兴趣和微流控设备的快速采用增加了这种技术在临床诊断中作为wu标记生物标志物的潜力。它可以阐明医疗设备提供的治疗对受影响组织的影响,例如剪切应力对可植入设备中细胞的影响。机械生物学也是干细胞研究中越来越受关注的学科。细胞刚度的影响及其与周围基质的相互作用对细胞分化和增殖有重大影响,ji大地影响了组织工程的方法。对细胞生物力学的越来越多的考虑为生物医学工程的挑战和潜力增加了一个新的维度。
-单细胞粘附力测试,细胞间粘附力测试,细胞与基质材料粘附力测试
该系统是一种安装在正常倒置显微镜上的计算机控制的微量吸管系统,量化细胞形变、细胞间粘附作用和细胞与基质之间的粘附作用,可同步实现荧光观测、单细胞捕获、分选和分离和图像视频处理。
使用专利保护的脉冲负压为动力,玻璃毛细管为工具,可以和大部分倒置显微镜配合使用,可以快速和精雀地直接从常规细胞培养板采集单细胞或细胞克隆,并且对细胞活性影响轻微。采集的细胞可以再培养,和用作下游各种单细胞分析。
该系统还可以从复杂异质性组织,比如脑组织,根据组织病理学,荧光标记和解剖学,采集单细胞和特异性的解剖学区域。
可在已有显微镜上搭建的,可同步实验吸吮加载、图像视频处理与荧光观测的细胞力学装置。可建立微管吸吮力学加载-荧光观测耦合的分子-细胞动力学实时原位观测系统。
单个细胞粘附力测定模式图:
细胞与细胞之间粘附力测定模式图:
通过施加负压将细胞的一部分(或整体)吸入微管中,测量一定负压吸吮作用下细胞的变形及其时间历程或细胞粘附分离的临界负压来评价细胞的变形特性,同时记录细胞的吸入量。
图像处理技术和力学模型,量化测量细胞形变、细胞对之间的相互作用以及黏附特性、基质附着细胞测定细胞硬度等力学特性。
压电微管吸吮模块:对样品池内细胞的捕获、分选、吸吮和微操控;
集成倒置荧光相差显微镜:用于对所述细胞进行荧光激发;
信号采集模块:用于对微弱荧光信号的采集;
控制模块:用于对微管吸吮和荧光采集同步触发,并进行数据分析处理