流式速度檢測細胞生物力學(xué)特性，單細胞水平、高通量、無生物標記物

細胞的力學(xué)特性與細胞的狀況和功能相關(guān)，由功能上重要的細胞成分控制，例如細胞骨架，癌細胞比健康細胞更容易變形。它們構(gòu)成了一種新興的無標記生物標志物，可以直接了解細胞功能或功能障礙。

細胞力學(xué)特性有助于理解和評估藥物治療效果、免疫細胞活化、干細胞分化、癌癥預(yù)后或培養(yǎng)細胞的狀態(tài)和質(zhì)量的評估。細胞力學(xué)構(gòu)成了研究從發(fā)育到疾病的主題的關(guān)鍵科學(xué)目標。

細胞機械力分型是一種無需標記就可以定量細胞功能性改變的方法，在臨床診斷和預(yù)后判斷等方面有著很大的應(yīng)用潛力。不過由于細胞太小，分析單個細胞的機械力特性是很困難的。之前的分析方法技術(shù)含量高、操作復(fù)雜、分析量小、檢測速度慢。

用流式速度檢測單細胞生物力學(xué)特性，這種超快速的細胞機械力篩選已經(jīng)被英國乃至歐洲研究者們廣泛接受。并在國際頂級期刊上發(fā)表了多篇文獻進行了充分驗證。

此方法是利用力和光來描述細胞的新技術(shù)，可以流式細胞儀的速度檢測單細胞形態(tài)和流變學(xué)性質(zhì)。細胞被泵入一個微流體芯片中，同時對細胞進行實時拍照、分析和存儲數(shù)據(jù)。

此外，還可以對細胞施加非破壞性的力，以研究細胞對應(yīng)力做出的特異性應(yīng)答，并將其作為細胞的無標記、內(nèi)源性生物標志物。可實時測量、分析、保存所有單細胞參數(shù)。

技術(shù)原理

高通量單細胞力學(xué)測試系統(tǒng)用流體動力使細胞變形：當(dāng)單個細胞通過狹窄的通道時，周圍的流體會產(chǎn)生使單個細胞變形的力。這些力源于流體內(nèi)的摩擦力，這會逐漸降低靠近通道壁的流速。通道中的細胞暴露于液體中由此產(chǎn)生的速度梯度，并經(jīng)歷施加輕柔擠壓的力場。高速成像揭示了由此產(chǎn)生的細胞變形。變形程度表示細胞的剛度。

為了產(chǎn)生確定的力，孤立的細胞被泵送通過橫截面略大于細胞橫截面的微通道。周圍流體的壓力梯度產(chǎn)生流動剖面并使細胞流體動力學(xué)變形。流體的流速和粘度控制作用在細胞上的力。細胞可以通過流體動力變形，力由流速和粘度控制，較軟的細胞顯示較大的變形。

高通量單細胞力學(xué)測試系統(tǒng)能快速測量單細胞的變形能力。細胞以幾厘米/秒的速度從右向左流動，通過來自上下兩個通道的鞘流集中在微通道中。系統(tǒng)允許以高達每秒 1000 個細胞的高速率進行非破壞性的連續(xù)測量 - 比其他細胞力學(xué)分析方法（例如，微量移液器抽吸 100 個細胞/小時，RT-DC 1,000 個細胞/秒）提高了 10000 倍。

高通量有助于在細胞生物學(xué)和臨床研究中作為標準分析方法的應(yīng)用，只需幾分鐘即可獲得具有統(tǒng)計意義的單細胞測量值。通過對細胞大小或變形能力進行門控，可以檢測到低數(shù)量的細胞亞群。

應(yīng)用介紹

1 血液制品的質(zhì)量控制

細胞類型：血小板、紅細胞、干細胞

結(jié)果：本研究中的作者使用帶有 FluorescenceModule 的 AcCellerator 系統(tǒng)解決了如何評估血小板濃縮物、紅細胞和造血干細胞等細胞血液產(chǎn)品的問題，這些產(chǎn)品可以無標記地從小樣本量中進行評估。作者展示了RT-DC 作為一種強大的質(zhì)量控制工具的應(yīng)用，以監(jiān)測儲存在不同溫度下的血小板的狀態(tài)，并通過納米顆粒暴露來驗證細胞內(nèi)的變化。此外，他們使用機械表型來強調(diào) PVC 血袋中的增塑劑對紅細胞 流變學(xué)的影響。后，他們調(diào)查了冷凍保護劑的影響造血干細胞的力學(xué)特性。總而言之，該研究表明，實時變形細胞術(shù)可用作具有高度創(chuàng)新潛力的無標記診斷。

2 轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)——懸浮心肌細胞的無標記表征

細胞類型: 心肌細胞、人源性多能干細胞

結(jié)果：人類誘導(dǎo)多能干細胞 (hiPSC) 在基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化研究中越來越受到關(guān)注。特別是再生醫(yī)學(xué)將這些細胞視為替代組織的來源，例如在事故發(fā)生后。在 Pires 等人的作品中。研究人員探索了RT-DC 在表征 hiPSC 衍生的心肌細胞方面的潛力，這些心肌細胞構(gòu)成了心臟的一種重要細胞類型。研究人員可以證明高通量機械表征能夠監(jiān)測這些細胞結(jié)構(gòu)的細微變化。利用這些結(jié)果可能允許在移植前對這些細胞進行無標記評估，而無需熒光標記。

3 寄生蟲檢測

細胞類型：紅細胞

結(jié)果：使用 AcCellerator 系統(tǒng)，我們解決了是否可以根據(jù)機械細胞變化檢測到紅細胞(RBC) 內(nèi)瘧原蟲浸潤的問題。在體外感染RBC 樣品后，細胞在 48 小時的寄生蟲生命周期內(nèi)進行了分析。在典型樣品中，大約8-10% 的所有細胞被感染，與未處理的對照相比，變形減少。有趣的是，未暴露于寄生蟲的受感染樣本中的細胞也顯示變形減少。這暗示了旁觀者效應(yīng)。

此外，我們利用 AcCellerator 系統(tǒng)的特性來獲取每個單細胞的明場圖像。該研究表明，我們的軟件能夠直接識別細胞內(nèi)的寄生蟲。這表明直接從圖像分析中檢測寄生蟲的可能性。一個過程，可以在幾秒鐘內(nèi)完成。

4 人工紅細胞的表征品

細胞類型: 紅細胞

用于獻血的治療性紅細胞(RBC)的生產(chǎn)是一個非常重要的研究領(lǐng)域。主要挑戰(zhàn)之一是區(qū)分有核和去核紅細胞。后者仍然含有細胞核，需要在任何臨床應(yīng)用之前從人工血樣中取出。使用AcCellerator，我們以超過每秒1,000 個細胞的吞吐率證明了我們的系統(tǒng)可以區(qū)分兩種RBC 類型。將來，我們的機械細胞分析與無標記分選策略的結(jié)合將有助于生產(chǎn)純化的人工血樣。

5 解析中性粒細胞活化的動力學(xué)

細胞類型：中性粒細胞

結(jié)果：高測量速率和快速樣品制備允許觀察動力學(xué)過程。下圖顯示了當(dāng)來自新鮮血液的中性粒細胞暴露于甲酰-甲硫氨酰-亮氨酰-苯丙氨酸 (fMLP) 時機械性能的變化。三肽 fMLP 由許多細菌釋放，并向免疫系統(tǒng)細胞發(fā)出感染信號。

6檢測細胞骨架的變化

細胞類型：HL60

結(jié)果：細胞骨架的改變可以通過機械分析來量化。Cytochalasin D 對肌動蛋白微絲的消耗導(dǎo)致更高的變形，因此降低了 HL60 細胞的剛度。下圖顯示了處理和未處理細胞的疊加。

7調(diào)查過去條件的影響

細胞類型：造血干細胞、CD34陽性細胞

結(jié)果：原代人類造血干細胞 (HSC) 通常通過跨膜蛋白 CD34 的存在來識別。下圖比較了從骨髓獲得的 CD34+ 細胞和通過粒細胞集落刺激因子 (G-CSF) 動員到外周血中的 CD34+ 細胞。雖然根據(jù)其 CD34+ 分類相同，但源自外周血的 HSC 比源自骨髓的 HSC 更硬。

用戶

用戶1

University Heidelberg and Max Planck Institute for Medical Research

Dr. Kerstin G?pfrich, Max Planck Research Group Leader

Biophysical Engineering Group

德國海德堡大學(xué)和馬克斯普朗克醫(yī)學(xué)研究所

馬克斯普朗克研究小組負責(zé)人Kerstin G?pfrich 博士

生物物理工程研究小組

研究方向：

試圖設(shè)計具有全新組裝、信息傳播和復(fù)制方式的細胞。

為實現(xiàn)這一目標，他們將生物物理工具（包括DNA 折紙、微流體、脂質(zhì)囊泡和3D 打?。┡c實驗方法（如共聚焦和高速顯微鏡、原子力顯微鏡、冷凍電子顯微鏡和計算方法）相結(jié)合。

目前從事以下項目：

用于合成細胞的 DNA 納米技術(shù)和 DNA 折紙

合成細胞中的對稱性破壞

基于膜的隔室的力學(xué)

合成細胞與3D 打印

信息編碼和處理

用戶2：

University of Greifswald

Biomechanics Group

德國格賴夫斯瓦爾德大學(xué)

生物力學(xué)研究組

主要研究重點是了解分子、細胞和組織的機械特性及其對心血管生理學(xué)和病理學(xué)領(lǐng)域生物功能的影響。

主要興趣是評估外部機械特性在推動干細胞向心肌細胞分化方面的作用及其對細胞生理學(xué)的影響。此外，他們還使用細胞力學(xué)作為在各種心肌病背景下解釋細胞生理狀態(tài)的重要依據(jù)。

該系統(tǒng)近三年代表性文獻

01，2022 - Frontiers in Physiology

Changes in Blood Cell Deformability in Chorea-Acanthocytosis and Effects of Treatment With Dasatinib or Lithium.

Authors:Reichel F., Kr?ter M., Peikert K., Gla? H., Rosendahl P., Herbig M., Rivera Prieto A., Kihm A., Bosman G., Kaestner L., Hermann A., Guck J.

02，2022 - Translational Psychiatry

Depressive disorders are associated with increased peripheral blood cell deformability: a cross-sectional case-control study (Mood-Morph)

Authors:Walther A., Mackens-Kiani A., Eder J., Herbig M., Herold C., Kirschbaum C., Guck J., Wittwer L.D., Beesdo-Baum K., Kr?ter, M.

03，2022 - Communications Biology

Ex vivo anticoagulants affect human blood platelet biomechanics with implications for high-throughput functional mechanophenotyping.

Authors:Sachs L., Wesche J., Lenkeit L., Greinacher A., Bender M., Otto O., Palankar R.

04，2022 - Scientific Reports

Label-free imaging flow cytometry for analysis and sorting of enzymatically dissociated tissues.

Authors:Herbig M., Tessmer K., N?tzel M., Nawaz A.A., Santos-Ferreira T., Borsch O., Gasparini S.J., Guck J., Ader M.

05，2022 - Scientific Reports

Machine learning assisted real?time deformability cytometry of CD34+ cells allows to identify patients with myelodysplastic syndromes.

Authors:Herbig M., Jacobi A., Wobus M., Weidner H., Mies A., Kr?ter M., Otto O., Thiede C., Weickert M., G?tze K.S., Rauner M., Hofbauer L.C., Bornh?user M., Guck J., Ader M., Platzbecker U., Balaian E.

06，2021 - Blood

HIF2α is a direct regulator of neutrophil motility

Authors:Sormendi S., Deygas M., Sinha A., Bernard M., Krüger A., Kourtzelis I., Le Lay G., Sáez P.J., Gerlach M., Franke K., Meneses A., Kr?ter M., Palladini A., Guck J., Coskun ü., Chavakis T., Vargas P., Wielockx B.

07，2021 - Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle

Inhibition of the NLRP3/IL‐1β axis protects against sepsis‐induced cardiomyopathy

Authors:Busch K., Kny M., Huang N., Klassert T.E., Stock M., Hahn A., Graeger S., Todiras M., Schmidt S., Chamling B., Willenbrock M., Gro? S., Biedenweg D., Heuser A., Scheidereit C., Butter C., Felix S.B., Otto O., Luft F.C., Slevogt H., Fielitz J.

08，2021 - Developmental Cell

Mechanical Adaptability of Tumor Cells in Metastasis

Authors:Gensbittel V, Kr?ter M, Harlepp S, Busnelli I, Guck J, Goetz JG.

09，2021 - Annals of the Rheumatic Diseases

Proteomic, biomechanical and functional analyses define neutrophil heterogeneity in systemic lupus erythematosus.

Authors:Bashant KR, Aponte AM, Randazzo D, Rezvan Sangsari P, Wood AJ, Bibby JA, West EE, Vassallo A, Manna ZG, Playford MP, Jordan N, Hasni S, Gucek M, Kemper C, Conway Morris A, Morgan NY, Toepfner N, Guck J, Mehta NN, Chilvers ER, Summers C, Kaplan MJ.

10，2020 - Nature Methods

A comparison of microfluidic methods for high-throughput cell deformability measurements

Authors:Urbanska M., Munoz H.E., Bagnall J.S., Otto O., Manalis S.R., Di Carlo D., Guck J.

11，2020 - BioRxiv

AIDeveloper: deep learning image classification in life science and beyond

Authors:Kr?ter M., Abuhattum S., Soteriou D., Jacobi A., Krüger T., Guck J., Herbig M.

12，2020 - Materials Today Bio

Cancer-associated fibroblasts of the prostate promote a compliant and more invasive phenotype in benign prostate epithelial cells

Authors:Jaeschke A, Jacobi A, Lawrence MG, Risbridger GP, Frydenberg M, Williams ED, Vela I, Hutmacher DW, Bray LJ, Taubenberger A

13，2020 - Haematologica

Coactosin-like 1 integrates signaling critical for shear-dependent thrombus formation in mouse platelets

Authors:Scheller I, Stritt S, Beck S, Peng B, Pleines I, Heinze KG, Braun A, Otto O, Ahrends R, Sickmann A, Bender M, Nieswandt B.

14，2020 - Lab on a Chip

Deformability-induced lift force in spiral microchannels for cell separation.

Authors:Guzniczak E, Otto O, Whyte G, Willoughby N, Jimenez M, Bridle H.

15，2020 - Nature Communications

High-throughput cell and spheroid mechanics in virtual fluidic channels

Authors:Panhwar M.H., Czerwinski F., Dabbiru V.A.S., Komaragiri Y., Fregin B., Biedenweg D., Nestler P., Pires R.H., Otto O.

16，2020 - Nature Methods

Intelligent image-based deformation-assisted cell sorting with molecular specificity

Authors:Nawaz AA, Urbanska M, Herbig M, N?tzel M, Kr?ter M, Rosendahl P, Herold C, Toepfner N, Kubánková M, Goswami R, Abuhattum S, Reichel F, Müller P, Taubenberger A, Girardo S, Jacobi A, Guck J.

17，2020 - Lab on a Chip

Label-free on chip quality assessment of cellular blood products using real-time deformability cytometry

Authors:Aurich K., Fregin B., Palankar R., Wesche J., Hartwich O., Biedenweg D., Nguyen TH., Greinacher A., Otto O.

18，2020 - Polymers

Microfluidic Fabrication of Click Chemistry-Mediated Hyaluronic Acid Microgels: A Bottom-Up Material Guide to Tailor a Microgel's Physicochemical and Mechanical Properties

Authors:Heida T, Otto O, Biedenweg D, Hauck N, Thiele J.

19，2020 - Developmental Cell

Oncogenic Signaling Alters Cell Shape and Mechanics to Facilitate Cell Division under Confinement

Authors:Matthews HK., Ganguli S., Plak K., Taubenberger AV., Win Z., Williamson M., Piel M., Guck J., Baum B.

20，2020 - Biotechnoly and Bioengineering

Purifying stem cell-derived red blood cells: a high-throughput label-free downstream processing strategy based on microfluidic spiral inertial separation and membrane filtration.

Authors:Guzniczak E, Otto O, Whyte G, Chandra T, Robertson NA, Willoughby N, Jimenez M, Bridle H.

21，2020 - Research and Practice in Thrombosis and Haemostasis

Quantifying single-platelet biomechanics: An outsider's guide to biophysical methods and recent advances

Authors:Sachs L., Denker C., Greinacher A., Palankar R.

22，2020 - Hamostaseologie

Role of Platelet Cytoskeleton in Platelet Biomechanics: Current and Emerging Methodologies and Their Potential Relevance for the Investigation of Inherited Platelet Disorders

Authors:Zaninetti C, Sachs L, Palankar R.

23，2020 - Biology of the Cell

The mechanics of myeloid cells

Authors:Bashant KR., Toepfner N., Day CJ., Mehta NN., Kaplan MJ., Summers C., Guck J., Chilvers ER.

24，2020 - Journal of Polymer Science

Tunable polymer microgel particles and their study using microscopy and real‐time deformability cytometry

Authors:Sinjari S, Freitag JS, Herold C, Otto O, Smith DM, St?ver HDH