張孝哲 項(xiàng)楠倪中華
(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇省微納生物醫(yī)療器械設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 211189)
理解細(xì)胞的生物化學(xué)和機(jī)械力學(xué)性能是生物物理、醫(yī)學(xué)及基礎(chǔ)生物學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。近年來(lái),細(xì)胞的機(jī)械性能被發(fā)現(xiàn)與細(xì)胞的生理狀態(tài)和功能直接相關(guān)。人體在患病后,體內(nèi)部分細(xì)胞的細(xì)胞膜[1]、細(xì)胞骨架[2-4]和細(xì)胞核[5-6]等細(xì)胞器結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致細(xì)胞機(jī)械性能改變。例如,研究發(fā)現(xiàn),人體在感染瘧疾或患鐮刀型貧血癥后,體內(nèi)紅細(xì)胞硬度高于正常紅細(xì)胞,導(dǎo)致其穿越血管壁受阻[7-9]。另有研究表明,紅細(xì)胞在長(zhǎng)期存儲(chǔ)過(guò)程中的硬度亦會(huì)略有提升[10],且在不同存儲(chǔ)條件下呈現(xiàn)不同程度的改變[11]。癌癥的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程通常也伴隨著細(xì)胞機(jī)械性能的改變,如乳腺癌[12-13]、肺癌[14]、前列腺癌[15-16]等癌細(xì)胞比相對(duì)應(yīng)的良性細(xì)胞表現(xiàn)出更高的變形性與彈性,甚至細(xì)胞在癌癥的不同發(fā)展進(jìn)程中也表現(xiàn)出硬度、變形性等性質(zhì)的差異[3,17],而這些特性往往與腫瘤的轉(zhuǎn)移性和侵襲性有關(guān)[18-20]。
近年來(lái),研究者們開(kāi)發(fā)了多種單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)(圖1),基于細(xì)胞機(jī)械性能的差異實(shí)現(xiàn)不同細(xì)胞的鑒別,并研究細(xì)胞機(jī)械性能與其生物學(xué)特性之間的關(guān)系。早期典型單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)包括:原子力顯微鏡[21]、微吸管技術(shù)[22]和光鑷與光學(xué)拉伸[23-24],這些技術(shù)對(duì)于細(xì)胞機(jī)械性能的表征都具有非常高的精度。然而,這些技術(shù)的檢測(cè)通量相對(duì)較低(一般低于1 cell/min)。此外,亦有其他技術(shù)被應(yīng)用于單細(xì)胞機(jī)械性能的檢測(cè),如聲學(xué)方法、磁扭轉(zhuǎn)流變儀與磁鑷和粒子追蹤微流變法。隨著微流控技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用,研究人員基于微流控方法開(kāi)發(fā)出多種新興的高通量單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù),如利用流體拉伸[25]或剪切細(xì)胞[26]以及使細(xì)胞過(guò)孔擠壓變形[27],其通量一般可達(dá)數(shù)百至數(shù)千cells/min,甚至上百萬(wàn)cells/min。
本文首先介紹了目前單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)領(lǐng)域經(jīng)典的檢測(cè)技術(shù),闡述了原子力顯微鏡、微吸管技術(shù)和光鑷與光學(xué)拉伸的檢測(cè)原理及最新研究進(jìn)展并簡(jiǎn)要概述了聲學(xué)方法、磁扭轉(zhuǎn)流變儀與磁鑷以及粒子追蹤微流變法。之后,本文從細(xì)胞受力方式的角度介紹了近10年來(lái)發(fā)展迅猛的微流控高通量檢測(cè)技術(shù)。最后,本文對(duì)單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)方法未來(lái)的研究與發(fā)展方向進(jìn)行了探討。
Fig.1 Technologies for the detection of single cell mechanical properties圖1單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)
隨著細(xì)胞機(jī)械性能在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上表現(xiàn)出越來(lái)越重要的作用,細(xì)胞的機(jī)械性能受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于細(xì)胞的異質(zhì)性,單細(xì)胞的檢測(cè)相比于細(xì)胞群的檢測(cè),在獲取稀有目標(biāo)細(xì)胞機(jī)械性能時(shí)具有更大的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)方法主要包括:原子力顯微鏡、微吸管技術(shù)和光鑷與光學(xué)拉伸;此外,聲學(xué)方法、磁扭轉(zhuǎn)流變儀與磁鑷以及粒子追蹤微流變法也被用于單細(xì)胞機(jī)械性能的檢測(cè)。
壓痕實(shí)驗(yàn)是檢測(cè)材料機(jī)械性能最常用的方法之一,可以給出材料廣泛的機(jī)械力學(xué)參數(shù),如彈性、粘彈性,甚至是動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性。細(xì)胞作為一種生物材料,壓痕實(shí)驗(yàn)亦是單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)的重要方法。自1986年原子力顯微鏡被Binnig等[21]提出,原子力顯微鏡的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大[28-29]。由于原子力顯微鏡不依賴于樣品表面的電導(dǎo)率,適用于各種實(shí)驗(yàn)樣品及環(huán)境,Radmacher等[30]提出將其用于測(cè)量細(xì)胞機(jī)械性能,并應(yīng)用力學(xué)中經(jīng)典的梁理論來(lái)確定細(xì)胞的力學(xué)參數(shù)。
原子力顯微鏡的工作原理是基于掃描隧道顯微鏡與針形輪廓儀的結(jié)合。測(cè)量細(xì)胞的力學(xué)特性時(shí),原子力顯微鏡執(zhí)行端的彈性懸臂(一般由硅微制造而成,彈簧常數(shù)一般在0.02~0.08 N/m之間[31])受預(yù)設(shè)程序控制下壓(圖1a)。彈性懸臂前端附著有與細(xì)胞接觸的探針,其外形一般為球形、金字塔形和錐形。其中球形尖端與細(xì)胞有更大的接觸面積和更低的局部應(yīng)變,受細(xì)胞局部力學(xué)響應(yīng)的影響較小,在全細(xì)胞機(jī)械性能的測(cè)量中具有明顯的優(yōu)勢(shì)[32]。通常尖端所造成的細(xì)胞壓痕深度一般不超過(guò)細(xì)胞高度的15%。當(dāng)壓痕深度接近或大于尖端高度時(shí),除了懸臂末端附著的探針與細(xì)胞接觸外,懸臂的底部還可能與細(xì)胞接觸,導(dǎo)致測(cè)量的細(xì)胞彈性高于實(shí)際值[32]。Pogoda等[33]對(duì)成纖維細(xì)胞、黑色素瘤細(xì)胞和紅細(xì)胞的力學(xué)特性分析結(jié)果表明:當(dāng)壓痕深度增加時(shí),測(cè)得的細(xì)胞楊氏模量逐漸下降。然而,Hayashi等[34]的研究結(jié)果與之相反,他們發(fā)現(xiàn)與低懸臂受力閾值相比,較高的閾值所測(cè)得的細(xì)胞彈性模量更高。產(chǎn)生上述差異的原因尚不清楚,有待后續(xù)研究的進(jìn)一步探索。
雖然原子力顯微鏡對(duì)于單細(xì)胞機(jī)械性能的檢測(cè)通量極低,但極高的精度使其常被作為衡量其他高通量檢測(cè)方法的評(píng)估工具。
微吸管技術(shù)使用一個(gè)內(nèi)徑小于被測(cè)細(xì)胞的微管,利用負(fù)壓將細(xì)胞吸入管內(nèi),并記錄不同負(fù)壓下細(xì)胞進(jìn)入微管內(nèi)的長(zhǎng)度(圖1b)。細(xì)胞進(jìn)入管內(nèi)的長(zhǎng)度一般使用光學(xué)顯微鏡跟蹤測(cè)量,精度可達(dá)幾十納米。不同的管內(nèi)負(fù)壓(一般為1~1 000 Pa)可用于實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞[35]、腫瘤細(xì)胞[13,36-38]、干細(xì)胞[6]等不同細(xì)胞以及同種細(xì)胞中細(xì)胞骨架[39]、細(xì)胞核[6]等不同細(xì)胞組成的機(jī)械性能表征。
微吸管技術(shù)的測(cè)量精度可與原子力顯微鏡媲美,但其復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)操作要求實(shí)驗(yàn)者具備熟練的操作技術(shù)。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作,Shojaei-Baghini等[40]設(shè)計(jì)了一種基于自動(dòng)微吸管技術(shù)的單細(xì)胞機(jī)械性能表征系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用基于視覺(jué)的位置控制系統(tǒng),操縱微管接近細(xì)胞,并將細(xì)胞吸入微管中,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞彈性、粘彈性及黏度的定量分析。此外,新興微流控技術(shù)的引入使得基于微吸管技術(shù)原理的單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)操作方式獲得極大簡(jiǎn)化,同時(shí)在一定程度上克服了傳統(tǒng)微吸管技術(shù)中因蒸發(fā)損失導(dǎo)致的吸入壓力基線漂移問(wèn)題[22]。Davidson等[41]設(shè)計(jì)的基于微吸管原理的微流體裝置可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)細(xì)胞(圖2a)。通過(guò)控制3個(gè)出口端的壓強(qiáng),該裝置允許快速加載和清洗細(xì)胞,并將大顆?;蚣?xì)胞團(tuán)簇造成的堵塞最小化。然而,由于芯片不同,并行流道內(nèi)細(xì)胞受到的壓力不同,一定程度上影響了檢測(cè)精度。為使并行測(cè)量中每一通路內(nèi)細(xì)胞所受壓力基本相同,Myrand-Lapierre等[37]設(shè)計(jì)出一種多路流體柱塞裝置,該裝置形成了自補(bǔ)償流體網(wǎng)絡(luò),使細(xì)胞在任何一個(gè)流道中承受的流道兩端壓差相同,不受其所在位置以及鄰近通路細(xì)胞的影響(圖2b)。
Fig.2 High throughput detection devices based on micropipette technology圖2基于微吸管技術(shù)的高通量檢測(cè)裝置
微吸管技術(shù)是一種可以替換原子力顯微鏡的單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)。相比于原子力顯微鏡適于測(cè)量黏附細(xì)胞的局部力學(xué)特性,微吸管技術(shù)多被用于測(cè)量懸浮細(xì)胞的全細(xì)胞機(jī)械響應(yīng)[42]。此外,在微吸管技術(shù)中,細(xì)胞往往在同一位置同一受力下變形數(shù)秒到數(shù)分鐘,故可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞長(zhǎng)期受載時(shí)的粘彈性與蠕變特性的測(cè)量。
光鑷最初由Ashkin等[43]提出,該技術(shù)利用高度聚焦的激光束創(chuàng)建三維光梯度,使細(xì)胞受到光子沖擊產(chǎn)生的散射力和由場(chǎng)強(qiáng)梯度誘導(dǎo)的梯度力,其中細(xì)胞所受的散射力和梯度力取決于激光波長(zhǎng)(λ)和粒子半徑(r)[44](圖1c)。利用光鑷技術(shù),F(xiàn)oo等[45]測(cè)量了脂質(zhì)體在恒定溫度下,以不同流速突然停止運(yùn)動(dòng)所引起的隨時(shí)間變化的形狀改變和恢復(fù);Titushkin等[24]研究了人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和分化成纖維細(xì)胞的膜力學(xué)特性。光鑷施加于細(xì)胞的力一般不足以使有核細(xì)胞產(chǎn)生大變形,因而多用于細(xì)胞膜與細(xì)胞骨架的機(jī)械性能檢測(cè)。
光學(xué)拉伸是一種基于光鑷原理的單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)方法,當(dāng)一個(gè)細(xì)胞被置于非聚焦的兩相對(duì)激光束之間時(shí),作用在該細(xì)胞上的總力為零(任何沿著光束移動(dòng)的細(xì)胞受凈散射力作用回到中心,而任何遠(yuǎn)離光束軸線的細(xì)胞在指向光束中心的梯度力作用下回到中心[46]),但相加的表面力將導(dǎo)致該細(xì)胞沿激光束的軸線被拉伸[23,44](圖1d)。相比于光鑷,光學(xué)拉伸作用于細(xì)胞上的力可達(dá)數(shù)納牛,能夠使大多數(shù)有核細(xì)胞發(fā)生全細(xì)胞變形。光學(xué)拉伸常用的激光波長(zhǎng)一般為1 064 nm[47-48],激光功率在數(shù)毫瓦至1.5瓦[49],更大的激光功率可以使細(xì)胞產(chǎn)生更大的變形,但高強(qiáng)度激光可能會(huì)損傷細(xì)胞。
與微吸管技術(shù)相似,由于光鑷與光學(xué)拉伸中的細(xì)胞懸浮于溶液中,因而更容易與微流控方法相結(jié)合以提高檢測(cè)通量。Morawetz等[50]開(kāi)發(fā)了一種新型流式光學(xué)拉伸器,該裝置通過(guò)光力使整個(gè)細(xì)胞在連續(xù)流動(dòng)中變形,避免了光學(xué)拉伸裝置中所需的細(xì)胞定位步驟(圖3a)。Yao等[51]通過(guò)將光鑷和微流控技術(shù)結(jié)合,展示了一種基于“捕獲-拖拽”機(jī)制的光流控細(xì)胞拉伸器。該器件利用高度聚焦的激光束生成光鑷以捕獲細(xì)胞,同時(shí)利用流動(dòng)誘導(dǎo)的拽力對(duì)微流道中被捕獲的細(xì)胞進(jìn)行橫向拉伸。此外,他們利用一個(gè)頻率為2 Hz的斬波器阻斷光束,使被拉伸的細(xì)胞可隨流體從光鑷中釋放;當(dāng)光束再次被打開(kāi)時(shí),另一個(gè)流經(jīng)的細(xì)胞將會(huì)被捕獲(圖3b)。雖然與微流控結(jié)合可在一定程度上提高光學(xué)方法的檢測(cè)通量,但受限于技術(shù)本身的低應(yīng)變率,其檢測(cè)通量仍較低,約每分鐘數(shù)個(gè)細(xì)胞[51]。
與原子力顯微鏡和微吸管技術(shù)不同,光鑷或光學(xué)拉伸不需要與細(xì)胞進(jìn)行機(jī)械接觸,是一種非接觸測(cè)量方法,避免了接觸測(cè)量中潛在的干擾因素。
除原子力顯微鏡、微吸管和光鑷與光學(xué)拉伸等典型傳統(tǒng)單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)外,聲學(xué)方法、磁扭轉(zhuǎn)與磁鑷以及粒子追蹤微流變法等技術(shù)也被應(yīng)用于單細(xì)胞機(jī)械性能的檢測(cè)。
近年來(lái),利用聲場(chǎng)在流道內(nèi)產(chǎn)生駐面聲波被用于測(cè)量細(xì)胞機(jī)械性能(圖1e)。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入微流道時(shí),聲輻射力使細(xì)胞移動(dòng)到聲壓節(jié)點(diǎn),其移動(dòng)速度取決于細(xì)胞可壓縮性[52]。利用細(xì)胞間有效聲阻抗值的差異,Augustsson等[53]對(duì)單核細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、BA-F3和MCF7細(xì)胞的機(jī)械性能進(jìn)行了表征。由于細(xì)胞向聲節(jié)點(diǎn)的遷移往往需要數(shù)秒鐘,故其檢測(cè)通量較低且其測(cè)量參數(shù)常需要轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的粘彈性參數(shù)。
磁扭轉(zhuǎn)流變儀通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)附著于細(xì)胞表面或內(nèi)部的磁化微珠進(jìn)行操控(圖1f)。附著特定受體的配體的鐵磁性微珠與細(xì)胞粘連并在某一方向上被磁化;再在垂直于磁化方向施加磁場(chǎng)使磁珠產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),從而對(duì)結(jié)合的細(xì)胞表面受體施加可控的作用力并量化磁珠旋轉(zhuǎn)角度。細(xì)胞的機(jī)械性能可以從施加于磁珠的扭矩與磁珠的旋轉(zhuǎn)角度中獲得。磁扭轉(zhuǎn)流變儀已被應(yīng)用于細(xì)胞膜[54]、細(xì)胞骨架[55-56]等細(xì)胞成分的動(dòng)態(tài)機(jī)械響應(yīng)。磁鑷的工作原理與磁扭轉(zhuǎn)流變儀相似,也常被用來(lái)測(cè)量細(xì)胞的機(jī)械特性[57-58]。磁扭轉(zhuǎn)與磁鑷適于測(cè)量在細(xì)胞內(nèi)部組織的機(jī)械性能,但受限于施加在磁珠上的力較小(pN),使其多用于測(cè)量細(xì)胞的局部機(jī)械性能而難以評(píng)估細(xì)胞整體機(jī)械性能。
在粒子追蹤微流變中,直徑小于1 μm的熒光珠被直接注射到活細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中,這些熒光珠在細(xì)胞質(zhì)中迅速分散,隨后熒光顯微鏡跟蹤這些熒光珠的運(yùn)動(dòng)軌跡,從而評(píng)估細(xì)胞的力學(xué)特性[59](圖1g)。粒子追蹤微流變是一種被動(dòng)測(cè)量單細(xì)胞機(jī)械性能的方法,可對(duì)處于復(fù)雜環(huán)境中(如三維基質(zhì)與體內(nèi))的細(xì)胞進(jìn)行機(jī)械性能檢測(cè)[60]。
Fig.3 Detection of mechanical properties of cells based on optical tweezers and stretcher圖3基于光鑷與光學(xué)拉伸的細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)
傳統(tǒng)的單細(xì)胞分析技術(shù)在面對(duì)大量樣本時(shí)難以快速獲得樣本的檢測(cè)數(shù)據(jù)。隨著微流控技術(shù)的發(fā)展,基于微流控技術(shù)的流式檢測(cè)方法不斷出現(xiàn),使單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)的通量呈幾何式增長(zhǎng)。接下來(lái),本文將從細(xì)胞受力方式的角度對(duì)不同的微流控變形性細(xì)胞術(shù)(deformability cytometry,DC)進(jìn)行介紹,具體包括:細(xì)胞過(guò)孔受迫擠壓、剪切誘導(dǎo)變形以及拉伸誘導(dǎo)變形。
測(cè)量細(xì)胞過(guò)孔時(shí)物理參數(shù)的機(jī)械性能檢測(cè)方法最先在微流控領(lǐng)域得到應(yīng)用。該技術(shù)(圖1h)通過(guò)驅(qū)動(dòng)懸浮液中的細(xì)胞穿過(guò)一個(gè)比其自身直徑略小的狹窄流道,當(dāng)細(xì)胞在狹窄流道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),由于細(xì)胞抵抗流道壁擠壓變形的能力不同,其通過(guò)時(shí)間(細(xì)胞通過(guò)狹窄流道的時(shí)間)[7,61-64]、進(jìn)入時(shí)間(細(xì)胞由接觸入口到完全進(jìn)入狹窄流道的時(shí)間)[12,65]、通過(guò) 速 度[19,27,66]、細(xì) 胞 形 態(tài)[5,67-68]、馳 豫 時(shí) 間(離開(kāi)狹窄流道后細(xì)胞恢復(fù)初始形態(tài)的時(shí)間)[69-70]及流體壓降[71-72]等物理參數(shù)各不相同。通過(guò)分析這些參數(shù),研究者可確定細(xì)胞的變形性[5,9,73]、彈性[74-75]及粘彈性[76-78]等機(jī)械性能。
目前細(xì)胞過(guò)孔時(shí)的數(shù)據(jù)獲取方式主要有兩種:一是通過(guò)高速攝像機(jī)捕獲細(xì)胞圖像,二是在檢測(cè)流道區(qū)域布置電極獲得電信號(hào)。Hou等[12]利用高速攝像機(jī)拍攝到的細(xì)胞圖像獲得了細(xì)胞的進(jìn)入時(shí)間,并計(jì)算出細(xì)胞截面投影的長(zhǎng)短軸之比,成功區(qū)分了人正常乳腺上皮細(xì)胞(MCF-10A)與人乳腺癌細(xì)胞(MCF-7)。Adamo等[61]在狹窄流道的兩端布置電極,當(dāng)細(xì)胞穿過(guò)收縮區(qū)時(shí),兩側(cè)電極之間的電阻值發(fā)生變化(圖4a)。通過(guò)比較電阻值峰寬,即細(xì)胞的通過(guò)時(shí)間,可以得到不同細(xì)胞的變形能力。利用這一方法,該課題組實(shí)現(xiàn)了正常HeLa細(xì)胞、經(jīng)微絲解聚劑處理的HeLa細(xì)胞和經(jīng)細(xì)胞松弛素B處理的HeLa細(xì)胞的鑒別。
細(xì)胞在通過(guò)狹窄流道時(shí),變形的細(xì)胞膜與流道壁之間存在摩擦力,并影響細(xì)胞的通過(guò)時(shí)間、通過(guò)速度等參數(shù),而摩擦力的大小與細(xì)胞機(jī)械性能有關(guān)。Gabriele等[2]發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞與流道壁面的摩擦力受到細(xì)胞硬度的影響,較硬細(xì)胞的膜與壁面之間的作用力更大,摩擦力更高,從而導(dǎo)致不同硬度白細(xì)胞的通過(guò)速度不同。為盡可能減小摩擦力的影響,直接考察細(xì)胞受迫變形能力,Walter等[79]提出一種直接量化狹窄流道內(nèi)細(xì)胞變形能力的方法來(lái)研究紅細(xì)胞變形時(shí)的力學(xué)響應(yīng)。通過(guò)在狹窄流道處設(shè)置懸臂式彈性微瓣作為變形傳感器,當(dāng)細(xì)胞經(jīng)過(guò)流道并被壓縮時(shí),高速攝像機(jī)將記錄彈性微瓣的撓度及細(xì)胞的變形(圖4b)。
除細(xì)胞膜與流道壁面間的摩擦力外,細(xì)胞兩側(cè)的流體壓降以及細(xì)胞大小等因素也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。細(xì)胞通過(guò)狹窄流道時(shí)造成的壓降對(duì)于準(zhǔn)確獲得細(xì)胞力學(xué)參數(shù)十分重要,更大的壓降導(dǎo)致更短的細(xì)胞過(guò)孔時(shí)間。然而,直接測(cè)量細(xì)胞兩側(cè)的流體壓力十分困難,為此,Khan等[71]設(shè)計(jì)了一對(duì)完全相同的平行狹窄流道,兩平行流道的入口分離,出口聯(lián)通。當(dāng)上流道有細(xì)胞經(jīng)過(guò)時(shí),出口處聯(lián)通區(qū)域的兩種不同液體之間的界面由于壓差而產(chǎn)生偏移(圖4c)。通過(guò)對(duì)界面偏移量的分析,得到細(xì)胞通過(guò)流道時(shí)的壓降。多數(shù)微流控芯片中的狹窄流道尺寸單一,難以實(shí)現(xiàn)尺寸差異較大細(xì)胞群體的精確檢測(cè)。Raj等[75]設(shè)計(jì)了一種包含多個(gè)不同尺寸的平行微收縮流道器件,實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)器件上同時(shí)表征具有較大尺寸差異的細(xì)胞機(jī)械性能(圖4d)。
Fig.4 Different detection methods of micro-constriction圖4細(xì)胞過(guò)孔的不同檢測(cè)方式
雖然細(xì)胞的進(jìn)入時(shí)間、通過(guò)時(shí)間、通過(guò)速度等參數(shù)可以作為區(qū)分不同變形性細(xì)胞的間接衡量指標(biāo),但僅通過(guò)這些指標(biāo)的測(cè)量難以量化細(xì)胞的楊氏模量、剪切模量、冪律指數(shù)等機(jī)械性能參數(shù)。為獲得細(xì)胞的具體機(jī)械性能參數(shù)值,諸多理論模型被應(yīng)用于分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Luo等[74]在二維平面中采用不可壓縮新胡克粘超彈性固體(neo-Hookean visco-hyperelastic solid)模擬生物細(xì)胞,觀察其進(jìn)入收縮流道的過(guò)程,并采用庫(kù)侖定律模擬了細(xì)胞與固體壁間的摩擦。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入數(shù)值模擬結(jié)果,得到了相應(yīng)的擬合公式,并計(jì)算出細(xì)胞瞬時(shí)楊氏模量。Ye等[80]使用光滑耗散粒子動(dòng)力學(xué)研究了細(xì)胞通過(guò)時(shí)間和機(jī)械性能之間的關(guān)系。通過(guò)分析模擬數(shù)據(jù),推導(dǎo)出了3種關(guān)于細(xì)胞通過(guò)時(shí)間的表達(dá)式,分別對(duì)應(yīng)于狹窄流道尺寸、細(xì)胞剪切模量和彎曲模量。
細(xì)胞檢測(cè)精度一直是研究者所關(guān)注的重要問(wèn)題,部分研究者希望通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的精準(zhǔn)測(cè)量方法以提高測(cè)量精度。Byun等[27]制造出帶有狹窄流道的懸浮微通道諧振器,通過(guò)激光束的偏轉(zhuǎn)來(lái)檢測(cè)諧振頻率(圖5a)。該方法采用增益控制振蕩器電路連續(xù)跟蹤單個(gè)細(xì)胞流過(guò)狹窄流道時(shí)懸臂諧振頻率的變化,從而得到有關(guān)細(xì)胞進(jìn)入狹窄流道和通過(guò)狹窄流道的信息,進(jìn)而對(duì)具有不同物理特性的細(xì)胞系(如兩種不同的人肺腺癌細(xì)胞HCC827與H1975)實(shí)現(xiàn)有效區(qū)分。Yang等[81]設(shè)計(jì)了一種具有一對(duì)平行多段狹窄流道的芯片,該芯片流道兩邊布置了自對(duì)準(zhǔn)3D電極對(duì)細(xì)胞進(jìn)行差分電阻抗測(cè)量(圖5b)。當(dāng)細(xì)胞流經(jīng)其中一個(gè)流道時(shí),與之接觸的兩個(gè)電極測(cè)量單細(xì)胞阻抗,而另一對(duì)電極則測(cè)量介質(zhì)阻抗,進(jìn)而形成差分測(cè)量以消除介質(zhì)電導(dǎo)率波動(dòng)和共模漂移對(duì)信號(hào)的影響,使細(xì)胞通過(guò)流道時(shí)測(cè)得的阻抗變化更為精準(zhǔn),從而獲得更為準(zhǔn)確的細(xì)胞機(jī)械性能[82]。
多參量檢測(cè)與機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合亦是提高檢測(cè)精度的重要趨勢(shì)。Nyberg等[83]使用高通量變形細(xì)胞儀(quantitative deformability cytometry,q-DC)測(cè)量了細(xì)胞的6種物理表型,包括彈性模量、細(xì)胞流動(dòng)性、通過(guò)時(shí)間、進(jìn)入時(shí)間、細(xì)胞尺寸和最大應(yīng)變,借助K鄰接機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練已知數(shù)據(jù)集,并將訓(xùn)練結(jié)果應(yīng)用于未知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的精準(zhǔn)識(shí)別。Apichitsopa等[84]將兩種單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)方法集成在同一平臺(tái)上,并使用基于圖像的細(xì)胞跟蹤將所有測(cè)量參數(shù)與細(xì)胞對(duì)應(yīng),同時(shí)得到尺寸、變形性(通過(guò)時(shí)間)和3種頻率下的極化率等細(xì)胞內(nèi)在屬性(圖5c)。
為進(jìn)一步提高檢測(cè)通量,Lange等[77]設(shè)計(jì)了一種集成8個(gè)平行流道的微流控芯片,基于圖像方法表征人紅白血病細(xì)胞系K562和人乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231細(xì)胞的進(jìn)入時(shí)間及形態(tài)變化,檢測(cè)通量高達(dá)160 cells/min(圖5d)。然而,受顯微鏡鏡視場(chǎng)的限制,利用顯微鏡捕獲變形細(xì)胞圖像的方法不能無(wú)限增加并行流道數(shù)。Ren等[85]設(shè)計(jì)了一種基于阻抗譜檢測(cè)的芯片,該芯片包含4個(gè)并行流道,其中每個(gè)流道包括2個(gè)由突擴(kuò)腔分隔的狹窄流道(圖5e)。雖然四流道的并行集成所提升的通量較小,但由于電學(xué)測(cè)量方法不受觀測(cè)區(qū)域的限制,有望大規(guī)模并行集成,從而極大提高整體通量。
利用高速攝像機(jī)或電阻抗技術(shù)測(cè)量細(xì)胞通過(guò)小于其自身直徑的狹窄流道時(shí),各種物理參數(shù)的差異可以很好地區(qū)分不同變形性的細(xì)胞,同時(shí)結(jié)合數(shù)值模型可以得到細(xì)胞的楊氏模量、冪律指數(shù)等機(jī)械性能參數(shù)值。由于涉及到細(xì)胞與流道壁的物理接觸,這種方法適合用于研究在微循環(huán)等過(guò)程中細(xì)胞的摩擦或滯留。然而,該類技術(shù)往往對(duì)細(xì)胞尺寸十分敏感,其檢測(cè)流道必須與被測(cè)細(xì)胞大小相匹配,細(xì)胞過(guò)大或過(guò)小都會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的偏差。因此,該類技術(shù)往往適用于細(xì)胞尺寸較為均一的細(xì)胞群體。此外,由于其檢測(cè)流道尺寸小于細(xì)胞,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中易造成流道堵塞。
細(xì)胞在流體作用下的剪切變形是一種高通量非接觸的單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)(圖1i)。細(xì)胞在經(jīng)過(guò)一個(gè)比其自身直徑略大的微流道時(shí),由于流道截面的流體速度呈拋物線分布,其誘導(dǎo)產(chǎn)生的剪切力以及流體正壓力作用于細(xì)胞,使細(xì)胞產(chǎn)生變形。細(xì)胞的變形圖像一般通過(guò)高速攝像機(jī)捕獲,以獲得細(xì)胞變形指數(shù)(1-4πA/C2,其中A為細(xì)胞投影面積、C為細(xì)胞投影周長(zhǎng)[26,86-88];b/a或(b-a)/(b+a),其中b為細(xì)胞變形后投影截面的長(zhǎng)軸尺寸、a為短軸尺寸[89-91];)、形狀恢復(fù)過(guò)程[91-92]、熒光強(qiáng)度[11,93-94]等信息?;讷@得的數(shù)據(jù),結(jié)合理論研究與數(shù)據(jù)分析,研究者能夠獲得細(xì)胞的各種力學(xué)參數(shù)[95-98],甚至是生物學(xué)特征[93-94]。
Fig.5 High precision and high throughput detection of micro-constriction圖5細(xì)胞過(guò)孔的高精度與高通量檢測(cè)
細(xì)胞剪切變形作為一種非接觸的水動(dòng)力變形方法,相比于細(xì)胞過(guò)孔,檢測(cè)通量得到進(jìn)一步提升。Zheng等[91]在截面尺寸為8 μm×8 μm的流道兩側(cè)通入相同流量的鞘液,使中間樣品液中紅細(xì)胞穩(wěn)定在流道中心并對(duì)其施加剪切力(圖6a)。利用高速攝像機(jī)捕獲紅細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程,量化了紅細(xì)胞圓度(4πA/C2)、變形指數(shù)(a/b)、形狀恢復(fù)速率(變形指數(shù)與時(shí)間的指數(shù)擬合)等多個(gè)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了超過(guò)300個(gè)紅細(xì)胞/min的表征。然而,由于檢測(cè)過(guò)程中所獲得的大量數(shù)據(jù)需要后期處理,降低了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際通量。為此,Otto等[26]開(kāi)發(fā)了一種實(shí)時(shí)變形性細(xì)胞術(shù)(real-time deformability cytometry,RT-DC),利用在線圖像分析算法,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞變形性的實(shí)時(shí)表征,使系統(tǒng)實(shí)際通量達(dá)到了6 000 cells/min以上(圖6b)。
實(shí)時(shí)變形性細(xì)胞術(shù)所檢測(cè)到的細(xì)胞機(jī)械性能不僅與細(xì)胞自身硬度有關(guān),同時(shí)也會(huì)受到細(xì)胞尺寸的影響。為了解釋細(xì)胞尺寸與細(xì)胞變形能力之間的關(guān)系,Mietke等[95]利用斯托克斯方程求解一個(gè)圓柱微流道內(nèi)球形物體周圍的流場(chǎng)以得到作用于球形物體表面的應(yīng)力,進(jìn)而將其作為邊界條件并結(jié)合線彈性理論量化彈性球體表面的位移場(chǎng),成功解釋了細(xì)胞尺寸對(duì)于細(xì)胞變形性的影響。但由于該模型忽略了細(xì)胞變形后產(chǎn)生的形狀改變與周圍流體間的相互作用,因而僅適用于較小的細(xì)胞變形量。為進(jìn)一步擴(kuò)大數(shù)值模型對(duì)于細(xì)胞剪切變形的適用范圍,并探討細(xì)胞膜內(nèi)物質(zhì)和細(xì)胞膜對(duì)細(xì)胞力學(xué)響應(yīng)的影響,Mokbel等[96]將細(xì)胞膜內(nèi)物質(zhì)表示為粘彈性材料,而細(xì)胞膜被表示為受彎曲剛度和表面張力影響的薄殼皮層,使模型對(duì)于細(xì)胞的大變形依然適用。
實(shí)際應(yīng)用中常常需要對(duì)多個(gè)樣本進(jìn)行同時(shí)分析,如在藥物篩選中需要對(duì)大量經(jīng)過(guò)不同方式處理的樣本進(jìn)行測(cè)試。為滿足實(shí)際應(yīng)用中的多樣本分析需求,Ahmmed等[87]結(jié)合分離的并行微流道陣列,開(kāi)發(fā)了一種多樣本變形性細(xì)胞術(shù)(multi-sample deformability cytometry,MS-DC),實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)樣本中細(xì)胞剪切誘導(dǎo)變形的檢測(cè)(圖6c)。
實(shí)驗(yàn)中流體速度在一定程度上影響著細(xì)胞機(jī)械性能的檢測(cè)精度,不同的流速下細(xì)胞受到的力不同,導(dǎo)致同等變形能力的細(xì)胞變形程度不同,從而干擾細(xì)胞機(jī)械性能的測(cè)量。由于難以直接測(cè)量流速,Saadat等[99]通過(guò)兩次數(shù)值模擬構(gòu)建了流道中細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度與流體流速之間的關(guān)系,從而由細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度得到流速。
Fig.6 The schematic of microfluidic shear-induced deformation chip structure圖6微流控剪切誘導(dǎo)變形芯片結(jié)構(gòu)示意圖
為進(jìn)一步將細(xì)胞的機(jī)械性能與細(xì)胞分子特異性相關(guān)聯(lián),Rosendahl等[93]將熒光成像技術(shù)引入實(shí)時(shí)細(xì)胞變形性檢測(cè),設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)熒光和變形性細(xì)胞術(shù)(real-time fluorescence and deformability cytometry,RT-FDC)(圖6d)?;讷@得的熒光信號(hào)以及形變數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)果蠅Kc167細(xì)胞系不同有絲分裂階段的有效鑒別。為進(jìn)一步提高分類準(zhǔn)確率,Nawaz等[94]應(yīng)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)紅細(xì)胞缺失血液中的中性粒細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)分選,分選純度達(dá)到89.7%,表達(dá)CD66+/CD14-的細(xì)胞被富集10倍。
基于流體剪切力誘導(dǎo)細(xì)胞變形的微流控細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)方法可以達(dá)到數(shù)千cells/min的極高通量。雖然相比于細(xì)胞擠壓變形,剪切誘導(dǎo)變形受細(xì)胞尺寸的影響較小,但由于流場(chǎng)中作用于細(xì)胞的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)受到細(xì)胞尺寸與形狀的影響,導(dǎo)致參數(shù)測(cè)量存在誤差,因而需要準(zhǔn)確的建模方法來(lái)校準(zhǔn)流道中的流場(chǎng),以獲得更準(zhǔn)確的細(xì)胞機(jī)械性能參數(shù)。
除剪切流誘導(dǎo)細(xì)胞變形的高通量非接觸檢測(cè)技術(shù)外,另一種檢測(cè)方法采用拉伸流使細(xì)胞產(chǎn)生軸向拉伸。該技術(shù)利用兩股相同的流體在十字形流道處匯聚形成的拉伸流場(chǎng)對(duì)細(xì)胞施加拉應(yīng)力,細(xì)胞在拉應(yīng)力的作用下沿流場(chǎng)方向拉伸(圖1j)。
與剪切力主導(dǎo)的水動(dòng)力變形方法相比,拉應(yīng)力主導(dǎo)的細(xì)胞變形方式由于流道內(nèi)流速更高,因而其通量得到進(jìn)一步提升。Gossett等[25]設(shè)計(jì)的檢測(cè)芯片利用兩側(cè)的蛇形流道使細(xì)胞慣性聚焦形成一列,并逐一進(jìn)入?yún)R聚點(diǎn)處的拉伸流場(chǎng)(圖7a)。細(xì)胞在拉伸流場(chǎng)中產(chǎn)生的變形被高速攝像機(jī)記錄并量化細(xì)胞初始直徑與變形量。在不考慮后期圖像處理的情況下,該方法能夠以超過(guò)十萬(wàn)cells/min的速率獲得細(xì)胞的原始圖像數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上,Dudani等[100]對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),采用液壓回路設(shè)計(jì)對(duì)細(xì)胞所受拉應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化。細(xì)胞進(jìn)入流道后首先經(jīng)過(guò)蛇形聚焦流道,之后流道分為3股,細(xì)胞由中間流道向下游運(yùn)動(dòng),而兩側(cè)流體形成高速夾流,在下游垂直匯入中間流道,對(duì)細(xì)胞進(jìn)行拉伸(圖7b)。這種方式避免了細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間停留在拉伸流場(chǎng),將檢測(cè)通量提高到近4百萬(wàn)cells/min。
Fig.7 The schematic of microfluidic stretch-induced deformation chip structure圖7微流控拉伸誘導(dǎo)變形芯片結(jié)構(gòu)示意圖
雖然利用慣性微流控的蛇形流道聚焦可以將細(xì)胞排列至流道寬度方向的單一位置,但細(xì)胞在流道高度方向上并未實(shí)現(xiàn)單一位置聚焦,導(dǎo)致顯微成像系統(tǒng)不能獲得高質(zhì)量的細(xì)胞圖像且細(xì)胞受力不均。為克服上述問(wèn)題,Cha等[101]引入黏彈性微流控技術(shù),黏彈性液體中細(xì)胞在慣性力和彈性力的協(xié)同作用下在流道截面中心實(shí)現(xiàn)三維聚焦(圖7c)。除利用黏彈性溶液對(duì)細(xì)胞進(jìn)行三維聚焦外,Deng等[102]提出一種直流道中均布著一系列垂直排列的矩形障礙物的芯片結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了慣性流下的細(xì)胞三維聚焦。在慣性升力的作用下,每個(gè)障礙物產(chǎn)生一對(duì)螺旋二次流,將細(xì)胞引導(dǎo)到一個(gè)單一的平衡位置(圖7d)。
除細(xì)胞在特定時(shí)刻特定位置的變形外,細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程亦包含了大量信息。Masaeli等[103]從細(xì)胞在微流體拉伸流場(chǎng)中變形的過(guò)程中提取出15個(gè)生物物理參數(shù)(包括細(xì)胞的尺寸和應(yīng)變、基于時(shí)間的變形和細(xì)胞形態(tài)學(xué)等),應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法處理15維數(shù)據(jù)集,該技術(shù)可以對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行精確的分類,準(zhǔn)確率超過(guò)95%。
相比于流體剪切力主導(dǎo)的細(xì)胞變形,細(xì)胞在十字形流道中受到的應(yīng)力更大。Armistead等[104]通過(guò)調(diào)整流體黏度及流速,分別測(cè)試了剪切主導(dǎo)與拉伸主導(dǎo)下的細(xì)胞變形。研究結(jié)果表明,與高黏度、低流速的環(huán)境相比,細(xì)胞在低黏度、高流速測(cè)得的硬度更高。Urbanska等[105]對(duì)于兩者的比較研究亦證明了上述研究結(jié)論。這一差異產(chǎn)生的可能原因是低應(yīng)變下細(xì)胞骨架主導(dǎo)了細(xì)胞的變形性,而當(dāng)細(xì)胞承受高應(yīng)變時(shí),更硬的細(xì)胞核主導(dǎo)了細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng)[19]。
雖然該方法的檢測(cè)通量是目前微流控單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)中最高的,但高流速下對(duì)于細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)捕捉需要高性能的高速攝像機(jī)和大量的數(shù)據(jù)后處理,檢測(cè)成本較高。
細(xì)胞機(jī)械性能與細(xì)胞生理功能之間有著緊密的聯(lián)系,細(xì)胞遷移、分裂與分化等重要的生物過(guò)程以及許多疾病的發(fā)生與發(fā)展都伴隨著細(xì)胞機(jī)械性能的改變。傳統(tǒng)的單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)的通量與流式細(xì)胞術(shù)相比非常低,使其難以在大量異質(zhì)細(xì)胞中識(shí)別出少數(shù)感興趣的稀有細(xì)胞,如在癌癥病人的外周血液中尋找稀有循環(huán)腫瘤細(xì)胞。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的微流控技術(shù)給這一問(wèn)題提供了解決方案,一些微流控機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)的通量達(dá)到甚至超過(guò)了流式細(xì)胞術(shù)。然而,這些新興技術(shù)仍面臨著諸多問(wèn)題亟待解決。例如,各種方法的檢測(cè)結(jié)果存在較大差異,甚至同一類型的細(xì)胞使用不同方法測(cè)得的細(xì)胞力學(xué)參數(shù)亦相差甚遠(yuǎn)。此外,需要昂貴的設(shè)備與復(fù)雜的操作亦是微流控機(jī)械性能檢測(cè)技術(shù)走向應(yīng)用所需解決的問(wèn)題。
未來(lái)單細(xì)胞機(jī)械性能的檢測(cè)勢(shì)必會(huì)向著高通量、自動(dòng)化及集成化等方向發(fā)展以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。高通量對(duì)于臨床中疾病的快速篩查和診斷具有非常重要的作用,特別是當(dāng)樣本細(xì)胞數(shù)量非常龐大,達(dá)到數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞時(shí),高通量的處理方法可以在短時(shí)間內(nèi)得獲得樣本的測(cè)試結(jié)果,以避免細(xì)胞在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生潛在特性改變。縮減檢測(cè)過(guò)程中人工操作,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化不僅可以省去在人員培訓(xùn)中所耗費(fèi)的大量時(shí)間,同時(shí)也可避免檢測(cè)過(guò)程中可能存在的各種人為誤差。檢測(cè)設(shè)備的小型化與集成化是這些檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化應(yīng)用需要解決的重要問(wèn)題之一。
除了細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)本身外,細(xì)胞在水動(dòng)力作用下的變形亦有了新的應(yīng)用方向。已有研究證明,細(xì)胞的大變形伴隨著細(xì)胞表面順態(tài)孔的出現(xiàn),使加入細(xì)胞懸液的合成生物分子或功能性納米材料通過(guò)擴(kuò)散與溶液交換將這些物質(zhì)傳遞到細(xì)胞內(nèi)部[106-109]。相比于傳統(tǒng)的電穿孔、脂肪分離或病毒傳導(dǎo),這種方式成本更低、操作更簡(jiǎn)單[110]。
本文介紹了6種單細(xì)胞機(jī)械性能檢測(cè)方法的物理原理及最新研究進(jìn)展,闡明了每種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。未來(lái),期望通過(guò)這些技術(shù)的不斷改進(jìn)與完善,使其廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)及臨床診斷等領(lǐng)域,為疾病診斷和生物學(xué)研究提供新的工具手段。