美新技术同时精确测量多个细胞体重

　　2016年09月05日讯 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（Nat Methods：向阿基米德学习细胞周期检测方法）。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。

　　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。

　　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。”

　　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。