單程細胞具有復雜生物學性質，它們通過細胞外基質ECM形成緊密的細胞與基質細胞與細胞連接，諸如上皮細胞通過這種特殊的鏈接方式構成了屏障層保護人體免受外界損傷。因此細胞之間以及細胞基底的粘附力測定對于研究細胞粘附蛋白的機制有著重要意義。使用力學工具測量細胞間以及細胞與基質之間的粘附力始終不是一件容易的事情。首先，由于細胞與基質的作用力僅為nN級別，因此需要力學精度較高的設備才能夠測量，而且在這其中較為適合的工具為原子力顯微鏡（AFM）。原子力顯微鏡能夠提供納米級別的操作精度并可測量從pN~nN范圍的力譜。但是受制于AFM探針本身的限制，需要借助修飾手段才能夠讓細胞與探針固定到一起，這個過程十分繁瑣，并且由于需要大量手工操作很難實現(xiàn)高通量的測量。而不同的細胞由于細胞異質性使得要想確定粘附力需要較多樣本才能獲得相對準確的值，無法實現(xiàn)高通量測量直接限制了原子力探針在細胞粘附力上的應用。

 

而多功能單細胞顯微操作FluidFM技術的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它使用特殊的中空探針能夠輕松地通過負壓抓取細胞，取得和AFM近似精度的數(shù)據(jù)，無需在探針上進行任何修飾，不會改變細胞表面的任何通路，從而能夠得到接近細胞原生的數(shù)據(jù)。在實驗結束后能夠通過正壓快速丟棄用過的細胞，具備很高的自動化，能夠快速測量細胞粘附力。

 

使用FluidFM對細胞操作的基本流程

 

FluidFM在粘附力測量上具備顯著優(yōu)勢。如圖所示，F(xiàn)luidFM能夠通過負壓將細胞吸附到原子力探針的末端，通過高精度位移臺的控制將細胞從基底上分離，并且同時記錄FD曲線。通過FD曲線能夠獲得最大粘附力Fmax和粘附能量Emax。通過高度自動化的控制系統(tǒng)能夠在短時間內測量大量細胞粘附力，評估細胞群體分布以及細胞間差異，并且可有效避免傳統(tǒng)粘附力測量因準備時間過長而錯過最佳測量時間導致的細胞粘附力改變，得到更為精準的結果。近期，Agoston等人使用多功能單細胞顯微操作系統(tǒng)FluidFM實現(xiàn)了高通量細胞粘附力測量，對同種細胞不同區(qū)以及不同細胞之間的粘附力進行測量和比較。

 

作者首先對Vero和Hela細胞在不同狀態(tài)下的粘附力進行了測量和比較，總共測量了214個細胞。通過比較明膠涂層上處于單個細胞、孤島狀細胞、致密連接細胞以及單層細胞上游離細胞之間的粘附力，能夠明顯觀測到Vero細胞處于致密連接的細胞粘附力最大，大概在750 nN左右，隨著細胞單細胞層的稀疏，細胞粘附力有所下降，而處于細胞層頂部的細胞粘附力最低僅為50 nN左右。這一點充分說明上皮細胞能夠在細胞之間形成緊密的連接，而處于細胞層外的細胞則幾乎沒有粘附力。而對于HeLa這樣的腫瘤細胞測量的結果卻顯示出了截然不同的結果，處于不同狀態(tài)的細胞有著近似的粘附力，基本都在200 nN左右，這與處于單個游離上皮細胞的粘附力十分接近，表明HeLa細胞在不同環(huán)境下仍然具有較高遷徙能力。

 

 

使用FluidFM對不同區(qū)域細胞的FD曲線測定結果和對比

 

       通過對這兩種細胞的最大粘附力、最大粘附能量、最大拉伸距離和細胞接觸面積進行統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，HeLa腫瘤細胞在粘附力和粘附能量上均有所降低，但是當HeLa細胞形成了單層后，兩者區(qū)別不大。

 

 

 

對比Hela和Vero在不同生長狀態(tài)下的最大粘附力、最大粘附能量、粘附拉伸距離和粘附面積。

 

再進一步對Vero與HeLa細胞最大粘附力與距離和接觸面積進行對比，依然可以得到與單獨比較粘附力相同的結果，并且最大能量與細胞接觸面積的比值中也存在著類似的結果。由此可見腫瘤細胞通過降低自身粘附力從而獲得了更好的遷移能力。

 

 

對不同狀態(tài)Vero和A549之間的粘附力/粘附距離、粘附力/粘附面積、粘附能量/粘附面積

 

總結

 

       細胞粘附力測定在細胞生命科學研究中起著至關重要的作用，然而傳統(tǒng)手段中有著各種各樣的局限性，主要原因是缺乏一種有效抓取細胞并進行力學測定的手段�，F(xiàn)如今FluidFM技術在細胞粘附力測定中的應用，使得研究者們有了一種能夠有效、低損的方式抓取細胞，配合原子力顯微鏡精確測量的特性，真正意義上做到精準、無損、快速的測量單細胞粘附力，幫助研究者尋找細胞粘附力與細胞生命發(fā)展、腫瘤細胞轉移之間的關系。

 

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