新型微传感器揭示细胞增殖机制物理特性

南国知心

    近日由伊利诺大学的电子和计算机工程学以及生物工程学教授Rashid Bashir领导的科研小组利用一种新型的微传感器揭示了细胞质量与细胞增殖率之间的关系，研究结果在线发表在《美国科学院院刊》(PNAS)杂志上。
    “新型微传感器是微型工程学和细胞生物学技术融合的产物，”伊利诺大学微纳米技术工程学实验室的主管Bashir说：“新工具将推动生物学的发展，帮助我们解答细胞生物学、癌症研究及组织工程学一系列重要问题。”
    揭示细胞生长和分裂的机制不仅对于基础生物学，并且对于诊断、药物开发、组织工程学及了解癌症机制都具有重要的意义。例如了解这些过程中的关键机制有助于确定特异的药物靶点以减慢或阻止癌细胞失控性生长。
    长期以来生物学家都存在一个疑问即细胞是以固定的速率增长或是随着细胞质量增加相应细胞生长亦加速?由于过去的研究通常利用积聚的细胞群进行研究，因而无法确定单个细胞生长的模式。
    利用小型敏感的微传感器，伊利诺大学的研究人员追踪了单个结肠癌细胞形成的细胞团及其分裂过程。研究人员发现细胞并不是在整个细胞周期中以相同的速率生长，而是随着细胞质量增加生长速度不断加快。
    微传感器一种集成在硅芯片上的微小的悬浮结构。每个微传感器仅有50微米宽，相当于人一根头发一半的宽度。这种悬浮的结构能以特定的频率振动，并随着质量增加而发生改变。随着细胞质量增加，传感器的共振频率下降。
    “传感器结构越小对放置在上面的细胞质量越敏感，”Bashir说：“一个细胞通常只有几毫克重或更小。如果我们能够将传感器制作得足够小，那么它就会对细胞的质量非常的敏感。”
    研究人员开发了一种阵列传感器芯片，在这种芯片上研究人员采用与培养皿相似的方法对细胞进行培养，这使得他们能够在获得多个细胞的数据的同时亦可以对单个细胞进行检测。
    这些微传感器的另一个优点在于当细胞在传感器上生长时，研究人员可通过显微镜获得细胞的图像。通过观察这些细胞，研究人员追踪了各种细胞过程与细胞质量变化之间的联系。
    “以图像作为对照，我们能确实地观察到细胞分裂和生长，并将其与检测结果联系起来。它能够真实地验证我们所获得的结果，”Bashir说：“现在我们能够将光学测量与质量检测集合到一起。”
    通过检测活细胞及固定细胞，研究人员利用数学模型还可推断出细胞的物理特性例如硬度。论文的共同作者、机械科学及工程学教授Narayana Aluru和K. Jimmy Hsia进行了广泛的分析和数值模拟揭示了细胞硬度和接触对质量测量的影响。
    接下来，研究人员计划将研究范围扩展到其他细胞系并探索更多的光学测量方法及荧光标记。