麻省理工學(xué)院的工程師設(shè)計了一種新的，非侵入性的方法，用聲波測量活細(xì)胞的剛度。他們的技術(shù)允許他們監(jiān)測幾代中的單個細(xì)胞，并研究當(dāng)細(xì)胞經(jīng)歷細(xì)胞分裂周期時硬度如何變化。
研究人員表示，這種方法也可用于研究其他生物現(xiàn)象，如程序性細(xì)胞死亡或轉(zhuǎn)移。
“無孔監(jiān)測單細(xì)胞機械特性可能對研究許多不同類型的細(xì)胞過程很有用，”麻省理工學(xué)院科學(xué)研究所生物工程和機械工程系的安德魯和埃爾娜維特比教授斯科特馬納利斯說。綜合癌癥研究，該研究的資深作者。
研究人員表示，它還可用于分析患者的腫瘤細(xì)胞對某些藥物的反應(yīng)，可能有助于醫(yī)生為個體患者選擇最佳藥物。
麻省理工學(xué)院研究生Joon Ho Kang是該論文的第一作者，該論文發(fā)表在2月11日出版的“ 自然方法 ” 雜志上。其他作者包括博士后Teemu Miettinen和Georgios Katsikis，研究生Lynna Chen，訪問學(xué)者Selim Olcum和化學(xué)工程教授Patrick Doyle。
獨特的測量
新的測量技術(shù)利用Manalis實驗室之前開發(fā)的一種技術(shù)來測量細(xì)胞的質(zhì)量。這種被稱為懸浮微通道諧振器(SMR)的裝置可以測量細(xì)胞的質(zhì)量，因為它們流過一個在真空腔內(nèi)振動的微小的充滿液體的懸臂。當(dāng)細(xì)胞流過通道時，它們的質(zhì)量會略微改變懸臂的振動頻率，并且可以根據(jù)頻率的變化來計算細(xì)胞的質(zhì)量。
在這項新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)它們還可以測量細(xì)胞僵硬度的變化 - 特別是一種稱為皮層的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，位于細(xì)胞膜下方。皮層有助于確定細(xì)胞的形狀，主要由肌動蛋白絲組成。這些細(xì)絲的收縮和松弛經(jīng)常發(fā)生在諸如細(xì)胞分裂，轉(zhuǎn)移和程序性細(xì)胞死亡的過程中，導(dǎo)致皮質(zhì)硬度的變化。
在過去的幾年里，Manalis和他的學(xué)生意識到懸臂的振動也產(chǎn)生了一種聲波，可以用來測量流過設(shè)備的顆?；蚣?xì)胞的剛度。當(dāng)粒子流過通道時，它會與聲波相互作用，從而改變整體能量平衡。這改變了懸臂的振動，其量根據(jù)細(xì)胞或顆粒的剛度而變化。這允許研究人員通過測量振動的變化來計算細(xì)胞的剛度。
研究人員證實，他們的技術(shù)是準(zhǔn)確的，通過測量在Doyle實驗室中創(chuàng)建的已知剛度的水凝膠顆粒，并在它們流過設(shè)備時進行測量。
用于產(chǎn)生這些測量的聲波僅使電池干擾約15納米，遠(yuǎn)小于大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)用于測量機械特性所產(chǎn)生的位移。
細(xì)胞分裂
麻省理工學(xué)院的研究小組表明，當(dāng)它們在SMR設(shè)備中來回流動時，他們可以使用這種技術(shù)反復(fù)測量單個細(xì)胞的剛度超過20小時。在此期間，他們能夠通過兩個或更多細(xì)胞分裂周期監(jiān)測僵硬。他們發(fā)現(xiàn)，隨著細(xì)胞進入有絲分裂，僵硬度降低，研究人員認(rèn)為這是由于細(xì)胞準(zhǔn)備分裂時發(fā)生的腫脹。通過對細(xì)胞進行成像，他們證實細(xì)胞皮質(zhì)隨著細(xì)胞膨脹而變薄。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞剛度在分裂前就會動態(tài)變化。肌動蛋白在赤道區(qū)域積聚，使細(xì)胞更硬，而極性區(qū)域隨著肌動蛋白暫時耗盡而變得更加放松。
“我們可以用我們的測量剛度的方式，以無標(biāo)簽，無創(chuàng)的方式觀察肌動蛋白的動力學(xué)，”Kang說。
研究人員計劃開始使用這種技術(shù)來測量更小顆粒(如病毒)的剛度，并探討該測量是否與病毒的感染性相關(guān)。
“現(xiàn)有方法無法測量具有有意義吞吐量的亞微米顆粒的剛度，”Manalis說。這種能力可以幫助正在開發(fā)可以作為可能的疫苗進行測試的弱化病毒的研究人員。這種測量也可用于幫助表征微小顆粒，例如用于藥物輸送的顆粒。
另一個可能的應(yīng)用是將剛度測量與Manalis實驗室開發(fā)的質(zhì)量和生長速率測量相結(jié)合，作為個體癌癥患者對特定藥物的反應(yīng)的可能預(yù)測因子。
“當(dāng)談到精密醫(yī)學(xué)的分析時，從同一細(xì)胞中測量多種功能特性可能有助于使測試更具預(yù)測性，”Manalis說。