发布时间:2020-04-13 17:52 原文链接: 单个细胞级别的粘附力测定(一)

单细粘附力的测定一直以来都缺乏一种能够在不改变细胞性质的同时测量细胞整体粘附力的设备。现如今FluidFM 技术的出现改变了这一状况。高精密的流体力探针能够在精准感知压力的同时通过内压而非蛋白结合的方式在不改变细胞性质的同时牢固的抓取细胞,为单细胞粘附力测定提供新的可能。

当今,机械生物学是一个新兴、迅速发展的研究领域,并着重研究细胞力学在细胞功能乃至整个生物体水平上的作用,从而揭示细胞受力对组织、器官发育、生理学以及疾病的起因和进展中所发挥的作用。其中在细胞层面上的研究主要集中在研究细胞之间的粘附力和细胞与基质之间的相互作用。其中细胞与基质的作用往往需要通过细胞表面的整合素受体介导来完成,也是当今的研究重点。目前在细胞-基质相互作用力的研究中已经有诸多方法被建立,其中有诸多测量方法是基于AFM(原子力显微镜)的,因为AFM 能够精准定量测量细胞-基质之间的粘附力,这也使得AFM 成为了测量细胞间作用力的常用设备。

 该类方法主要是利用基质蛋白包被探针并与细胞靠近发生作用并固定在悬臂上,之后通过将细胞与基质进行接触从而通过测量作用过程中悬臂的弯曲程度来实现力学测量。然而这种方法也有其局限性。首先为了让细胞能够与悬臂进行粘连,就必须使用凝集素、链霉亲和素或细胞外基质蛋白进行预处理。然而这将无可避免的改变细胞表面细胞的功能状态和表面整合素分布。另外这种方法仅能让细胞与基质接触极短的时间,这导致了这种方法只能应用于早期粘附力的测量。此外受制于材料学的限制,适合于固定细胞在探针上并不影响细胞的强力材料仍有待开发。因此使用AFM 测量细胞粘附力的方法仍然需要改进与完善。

而如今Cytosurge 推出的全新的FluidFM 技术给粘附力测量带来了新的希望。这种技术结合了尖端的原子力显微镜探测技术与微流体控制系统。该技术能够直接通过使用中空的原子力探针将细胞通过负压粘附在探针表面,并不需要激活细胞的任何通路信号。这样为粘附力的测量带来了极大的优势。一方面,这种方法能够提供远比蛋白结合牢固多的粘附力,能够将细胞牢固的固定在探针上面,因此能够用于直接从基质上分离。而另一方面,由于没有生物处理,这种方法不会改变任何细胞表面的通路,从而能够得到最接近细胞原生的数据。本文就如何使用FluidFM 测定细胞粘附力和近期应用案例进行总结。

FluidFM 技术如何测定细胞粘附力?

为了阐述这个问题,本文引用Scientific Reports 在2017 年发表的文献中的方法进行阐述。众所周知,细胞在基质上进行单层培养时,吸附在基质表面时主要会产生两种不同类型的力,一种是细胞与基质之间的粘附力,另一种是细胞与细胞之间的粘附力。因此对于细胞粘附力来说,单个细胞的粘附力就是细胞与基质之间的作用力。而单层细胞的细胞粘附力则是细胞之间相互作用力和细胞基质与细胞之间作用力之和。如下图所示:

因此只要同时测定单个细胞粘附力即可得到细胞与基质之间的相互作用力,而细胞间的相互作用力则可以通过同时测量单层细胞的细胞粘附力和单个细胞的粘附力做差即可得到,如下公式所示:

Force cell-cell ≌ Force Monolayer – Force Indiv.cell

以上即为粘附力的计算方法,为了能够测量粘附力Sancho 等使用FluidFM 技术,通过将探针靠近细胞直到探针与细胞接触,之后开始对探针腔内增加负压从而牢固的吸住细胞。当细胞固定后收回探针并记录这之间的力学变化,如下图所示:

从图中显示出当探针开始靠近细胞后,探针表面开始出现压力变化,如上图中的蓝色区域所示。当出现这种变化后就停止下降探针并开始施加负压。这时候由于腔内负压,探针和细胞之间的结合变得紧密,导致探针被细胞向下拉动,从而产生了上边右图白色区域的力学变化。随后随着探针上升,细胞给以探针的拉力随之增高,并逐渐达到临界,使得细胞脱离基质。这一过程的最大值即为细胞粘附力。

之后作者考察了两种性质截然不同的细胞的粘附力。一种是L929 无细胞间作用的细胞,另一种是HUAEC 具有细胞间的相互作用的细胞,结果如下图所示:

结果也证实了粘附力测定公式。具有细胞间作用的HUAEC 在单个细胞和单层细胞之间的粘附力存在差异,而无细胞间相互作用的L929 细胞则没有差异。因此FluidFM 技术能够很好地帮助研究者研究单细胞粘附力的性质。