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Nature Biotechnology:MIT新技术可同时精确测量多个细胞体重

2016/09/09 来源:生物通/王英
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导读
最近,美国麻省理工学院(MIT)发明的一种新技术,可以同时精确地测量许多单细胞的生长。这一进展有望带来快速的药物测试,对“更大细胞群体中单个细胞之间的生长差异”提供了新的见解,并有助于跟踪不断变化的环境条件下的细胞动态生长。这一技术发表在《Nature Biotechnology》杂志。


最近,美国麻省理工学院(MIT)发明的一种新技术,可以同时精确地测量许多单细胞的生长。这一进展有望带来快速的药物测试,对“更大细胞群体中单个细胞之间的生长差异”提供了新的见解,并有助于跟踪不断变化的环境条件下的细胞动态生长。这一技术发表在《Nature Biotechnology》杂志。

这种技术利用大量的悬浮微孔道谐振器(SMR)——一种微流体装置,可测量流经微孔道的大多数细胞。一种新的设计使该设备的通量增加了近两个数量级,同时保持精确度。这项研究的资深作者、麻省理工学院的Scott Manalis教授和其他研究人员,致力于发展SMRs已经有近十年的时间。2012年,他们在之前研发的一个微流体设备(暂停通道谐振器SMR,用来检测细胞的重量)的基础上,进行了大规模改动,将其用于细胞周期检测,可以分析单个细胞在经过100小时生长后多代的情况。在今年1月份,他们通过将复杂的RNA测序技术与分离单个细胞及其后代的新装置相结合,可追踪来自一个“祖先”的几代细胞的详细谱系。相关研究结果发表在《Nature Communications》。

在这项新的研究中,研究人员使用该设备来观察抗生素和抗菌肽对细菌的影响,并指出细胞群体中单个细胞的生长变化,这具有重要的临床应用价值。例如,生长较慢的细菌有时会对抗生素产生耐药性,并可能导致复发性的感染。

麻省理工学院生物工程和机械工程系教授Manalis表示:“该设备对于细胞如何生长并对药物产生反应,提供了新的见解。”该论文的第一作者是Nathan Cermak——最近从麻省理工学院计算和系统生物学项目毕业的博士生,和Selim Olcum——Koch研究所的科学家。其他13名共同作者来自于Koch研究所、MIT微系统技术实验室、Dana-Farber癌症研究所、Innovative Micro Technology和CEA LETI。

很多的希望

Manalis和他的同事们在2007年首次开发了SMR,后来推出了多种创新用于不同的目的,包括随时间的推移跟踪单个细胞的生长、测量细胞密度、称量细胞分泌的囊泡,就在最近,测量不断变化的营养条件下细胞的短期生长反应。

所有这些技术都依赖于一个关键的方案:一条充满液体的微通道,被蚀刻在一个微小的硅悬臂梁传感器上,它在一个真空腔中震动。当一个细胞进入悬臂梁时,它会稍微改变传感器的振动频率,这个信号可以用来确定细胞的重量。为了测量一个细胞的生长速率,Manalis和同事们让单个细胞反复来回地通过通道,经过了约20分钟的一段时间。在这段时间里,一个细胞可以积累的质量可以通过SMR加以衡量。虽然SMR称量细胞的重量,可能比其他方法精确10到100倍,但是它被限制在每次一个细胞,从而意味着它可能需要几个小时,甚至几天的时间,才能测量足够多的细胞。

这一新技术的关键在于,设计和控制一批(10到12个)悬臂传感器,它们就像称重站,当每个细胞流经这个邮票大小的设备时,它会记录每个细胞的质量。在每个传感器之间是弯曲的“延迟通道”,每一个长度约五厘米,细胞流经它的时间约为两分钟,从而使它们在到达下一个传感器之前有时间生长。当一个细胞退出一个传感器时,另一个细胞可以进入,从而增加了设备的吞吐量。这些结果显示了每个传感器上的每一个细胞的质量,将它们生长或缩小的程度用图形绘制出来。

在这项研究中,研究人员每小时能够测量大约60个哺乳动物细胞和150种细菌,而单一的SMR在同一时间内只能测量几个细胞。Cermak说:“能够快速测量生长速率的完整分布,告诉我们典型的细胞是如何表现的,也让我们发现异常值——这在以前是很难,因为吞吐量和精度都是有限的。”

同时测量许多单细胞的一种类似方法,被称为定量相显微镜(QPM),其通过测量细胞的光学厚度来计算细胞的干重。不同于SMR为基础的方法,QPM可以用于生长粘附在表面的细胞。然而,SMR法更加精确。Olcum说:“我们能够在约20分钟的时间里,可靠地解决一个癌症细胞质量的不到百分之0.1。这个精度已被证明对于许多临床应用是必不可少的,也是我们一直追求的。”

新的药物测试能力

在使用该装置的一个实验中,研究人员观察到了一种抗生素(称为卡那霉素)对大肠杆菌的作用。卡那霉素可抑制细菌中蛋白质的合成,最终停止它们的生长并杀死细胞。

传统的抗生素测试需要培养细菌,这可能需要一天或更多的时间。使用这种新的设备,在一个小时内,研究人员就能记录下细胞积累质量的变化率。记录时间减少,是测试药物对抗临床细菌感染的关键,Manalis说:“在某些情况下,有一个快速检测法用于选择抗生素,可使患者生存率带来重大的变化。”

同样,研究人员使用该装置来观察抗菌肽(称为CM15)对细菌的影响。这种候选抗菌剂越来越重要,因为细菌菌株对普通抗生素产生了耐药性。CM15可在细菌的细胞壁产生微小的孔,这就使得细胞的内容物逐渐泄漏出来,从而最终杀死细胞。然而,因为只有细胞的质量发生变化,而它的大小却不发生变化,所以,传统的显微镜技术可能会漏掉一些影响。事实上,研究人员观察到,大肠杆菌细胞在暴露CM15后就迅速失去质量。Manalis说,这些结果通过对该机制提出一些见解,可以为肽和其他新型药物提供验证。

研究人员目前正在与Dana Farber癌症研究所的成员合作,通过麻省理工学院/ DFCI Bridge项目,来确定是否可以用该设备,在抗癌药物存在时,通过测量肿瘤细胞的肿瘤,来预测患者对治疗的反应。

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