瑞士Cytosurge公司推出的多功能單細(xì)胞顯微操作系統(tǒng)——FluidFM OMNIUM，是一款將原子力系統(tǒng)、顯微成像系統(tǒng)、微流控系統(tǒng)、活細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)融為一體的單細(xì)胞顯微操作平臺(tái)，該平臺(tái)打開了傳統(tǒng)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)手段無法觸及領(lǐng)域的大門，突破了單細(xì)胞研究、藥物開發(fā)、細(xì)胞系開發(fā)中的障礙，主要功能包括單細(xì)胞提取、單細(xì)胞分離、單細(xì)胞注射、單細(xì)胞力譜等。深度應(yīng)用于CRISPR基因組編輯、單克隆細(xì)胞系開發(fā)、病毒學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和生物力學(xué)等領(lǐng)域。本文將概述該技術(shù)近期發(fā)表的有代表性的文章。
多功能單細(xì)胞顯微操作系統(tǒng)- FluidFM OMNIUM
1. bioRxiv
美國Texas大學(xué)病理學(xué)系的Bin Gong教授組在bioRxiv在線發(fā)表了以“Circulating exosomes from Alzheimer’s disease suppress VE-cadherin expression and induce barrier dysfunction in recipient brain microvascular endothelial cell”為題的文章。
研究背景：阿爾茨海默病 (AD) 與血腦屏障 (BBB)密切相關(guān)。BBB 功能障礙主要是由腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞 (BMEC) 的緊密連接或粘附連接蛋白減少或紊亂引起的。雖然越來越多的證據(jù)表明 AD 中BMEC的緊密連接中斷，但粘附連接在AD中BBB功能障礙期間的功能作用仍然未知。衰老細(xì)胞分泌的外泌體具有特殊的性質(zhì)，有助于調(diào)節(jié)受體細(xì)胞的表型。然而，這些外泌體是否以及如何導(dǎo)致AD中的BMEC功能障礙仍然未知。
FluidFM技術(shù)應(yīng)用：內(nèi)皮細(xì)胞中的細(xì)胞間多蛋白連接復(fù)合物在封閉細(xì)胞間的側(cè)向空間以抵抗側(cè)向接觸部位的解結(jié)合力方面起著重要作用。因此，測(cè)量血腦屏障之間的橫向結(jié)合力(LBFs)對(duì)于評(píng)估血腦屏障功能障礙的精確生物力學(xué)特征至關(guān)重要。為了直接測(cè)量BMEC活細(xì)胞之間的LBFs，作者采用了一種全新的生物力學(xué)策略——多功能單細(xì)胞顯微操作系統(tǒng)FluidFM技術(shù)。結(jié)果顯示，（AD血清循環(huán)外泌體）AD-Exos治療72小時(shí)后，BMEC活細(xì)胞之間的LBFs呈劑量依賴性減少，這表明AD-Exos誘導(dǎo)正常受體BMEC屏障功能障礙。
2. Bioelectrochemistry
Zorinc等在Bioelectrochemistry發(fā)表了以“Reconstructed membrane vesicles from the microalga Dunaliella as a potential drug delivery system”為題的文章。
研究背景：該研究的目的是從微藻的形態(tài)、特性、組成和運(yùn)輸模型藥物的能力等方面對(duì)微藻中獲得的重建膜囊泡進(jìn)行表征。重建的囊泡呈現(xiàn)排空和非排空，并表現(xiàn)出球形表面結(jié)構(gòu)的不均勻分布，這可能與表面外殼蛋白有關(guān)，而在兩者之間有10 nm的孔狀結(jié)構(gòu)，可能有助于滲透。重建的囊泡非常柔軟和親水，這歸因于它們的組成。囊泡富含蛋白質(zhì)，主要來源于細(xì)胞質(zhì)和葉綠體。作者證明了所有的脂類都參與了重建膜囊泡的形成，它們對(duì)維持囊泡結(jié)構(gòu)起著基本的作用。囊泡可滲透鈣黃綠素，不滲透FITC-卵清蛋白，對(duì) FITC-伴刀豆球蛋白A半滲透，這可能是由于與葡萄糖/甘露糖單元的特定表面相互作用，可作為藥物載體開發(fā)的基礎(chǔ)。重建的膜囊泡可以作為可持續(xù)和環(huán)境友好的海洋生物載體開辟一條新途徑，并用于研究材料的微運(yùn)輸和膜相關(guān)過程，從而促進(jìn)生命科學(xué)和生物技術(shù)的進(jìn)步。
FluidFM技術(shù)應(yīng)用：利用多功能單細(xì)胞顯微操作系統(tǒng)FluidFM技術(shù)來表征重建囊泡的力學(xué)特征。通過納米壓痕實(shí)驗(yàn)，以楊氏模量獲得重建囊泡納米力學(xué)性能的定量信息(如下圖a和b)。在實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)luidFM探針以一定的力壓在囊泡表面，對(duì)17個(gè)重建膜囊泡表面1.5 × 1.5 μm的面積進(jìn)行了納米壓痕測(cè)量，這些重建膜囊泡來自兩批獨(dú)立的樣品。直方圖a顯示了來自兩個(gè)獨(dú)立批次培養(yǎng)的17個(gè)細(xì)胞表面1.5 × 1.5 µm的納米壓痕測(cè)量所獲得的楊氏模量值的分布。圖b顯示了由FluidFM形成的氣泡與批量培養(yǎng)的7個(gè)囊泡之間的粘附力分布。
3. Biosensors and Bioelectronics
來自瑞士Qun Ren 組在Biosensors and Bioelectronics上發(fā)表了以“Specific capture of Pseudomonas aeruginosa for rapid detection of antimicrobial resistance in urinary tract infections”為題的文章。
研究背景：尿路感染(UTI)是最主要的微生物疾病之一，導(dǎo)致大量的醫(yī)療負(fù)擔(dān)并威脅人類健康。由銅綠假單胞菌引起的尿路感染可能變得更加嚴(yán)重，特別是由耐抗生素類型引起的尿路感染。因此，快速診斷和鑒定耐藥銅綠假單胞菌可以支持和指導(dǎo)對(duì)尿路感染的有效用藥和有效治療。本文作者設(shè)計(jì)了一個(gè)快速純化和有效鑒定銅綠假單胞菌的平臺(tái)，以對(duì)抗銅綠假單胞菌相關(guān)的UTI進(jìn)行研究。首先，將一種特異性結(jié)合銅綠假單胞菌的肽(QRKLAAKLT)移植到聚乙二醇化的磁性納米簇上，并成功地從人造尿液中捕獲和富集銅綠假單胞菌。其次，在30分鐘內(nèi)快速完成富集的銅綠假單胞菌的耐藥性鑒定。這些功能化的磁性納米團(tuán)簇顯示出對(duì)抗銅綠假單胞菌相關(guān)UTI的突出診斷潛力，這可以擴(kuò)展到其他銅綠假單胞菌相關(guān)感染。
FluidFM技術(shù)應(yīng)用：(圖 b/c)。作者應(yīng)用單細(xì)胞力譜來測(cè)量單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞與不同功能化磁性納米團(tuán)簇之間的親和力，以更好地了解潛在的相互作用應(yīng)用。評(píng)估菌株對(duì)MNCs和peptide@MNCs的平均粘附力在1.0-2.0 nN范圍內(nèi)。被評(píng)估的病原菌P. aeruginosa與PEG@MNCs之間的親和力更低，在0.3-1.0 nN的范圍內(nèi)，可能是由于PEG的特性導(dǎo)致的。然而，所檢測(cè)的病原菌對(duì)peptide@-PEG@MNCs的量化親和力表現(xiàn)出不同的特征，對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的低親和力在1.50-1.55 nN范圍內(nèi)，對(duì)易感和耐藥銅綠假單胞菌的高親和力分別為21.93 nN和24.11 nN。
為了獲得最佳的相互作用時(shí)間，將peptide@-PEG@MNCs與銅綠假單胞菌孵育5、10、30、60、90和120 min(圖d)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10分鐘的相互作用足以達(dá)到最大捕獲，而將孵育時(shí)間延長至120分鐘并不能從本質(zhì)上提高捕獲效率。
4. PHYSICAL REVIEW APPLIED
Sebastian J等在PHYSICAL REVIEW APPLIED上發(fā)表了以“Predicting Cell Stress and Strain during Extrusion Bioprinting”為題的文章。
研究背景：在3D生物打印領(lǐng)域，打印過程中細(xì)胞大的形變?cè)斐傻膿p傷被認(rèn)為是導(dǎo)致細(xì)胞死亡和打印結(jié)構(gòu)內(nèi)功能喪失的主要原因。這些形變?cè)诤艽蟪潭壬先Q于打印過程中細(xì)胞對(duì)流體動(dòng)力應(yīng)力的機(jī)械彈性響應(yīng)。本文研究表明，對(duì)于在噴嘴中心流動(dòng)的細(xì)胞，拉伸應(yīng)力更顯著，遠(yuǎn)離中心流動(dòng)的細(xì)胞，它們的變形主要是由噴嘴內(nèi)的剪切流控制的。根據(jù)這些模擬結(jié)果，作者提出了Mooney–Rivlin model數(shù)學(xué)模型，只需要三類參數(shù)：噴嘴直徑、流速、生物墨水流變學(xué)參數(shù)就可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)三維生物打印過程中發(fā)生的最大細(xì)胞應(yīng)力。
FluidFM技術(shù)應(yīng)用：在研究中，作者使用多功能單細(xì)胞顯微操作系統(tǒng)FluidFM技術(shù)對(duì)穩(wěn)定表達(dá)paxillin-YFP的REF52細(xì)胞進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。所使用的FluidFM探針的直徑為8 μm，彈簧系數(shù)為2 N/m。FluidFM探針壓細(xì)胞會(huì)使細(xì)胞產(chǎn)生一定的變形，這種形變就可以直接與所構(gòu)建的模型進(jìn)行比較。
采用最佳擬合方法確定楊氏模量和剪切模量之比w，模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合，如下圖所示。雖然力值的一般范圍是由楊氏模量控制的，但Mooney-Rivlin比值w特別定義了力上升的點(diǎn)。本文發(fā)現(xiàn)楊氏模量在110 Pa到160 Pa的范圍內(nèi)，w = 0.25、0.5和1。對(duì)于非常小的變形，超彈性模型產(chǎn)生的結(jié)果與根據(jù)赫茲理論的線性彈性模型所期望的結(jié)果相同。對(duì)于大變形，由于其非線性特性，力迅速增加，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化行為和與赫茲理論的巨大偏差?？偟膩碚f，作者發(fā)現(xiàn)模擬和FluidFM測(cè)量與REF52細(xì)胞之間非常匹配。
以生物打印過程中使用的細(xì)胞為例，以REF52細(xì)胞為例進(jìn)行了一系列FluidFM細(xì)胞壓痕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用Mooney-Rivlin模型的三個(gè)參數(shù)，數(shù)值模型和測(cè)量結(jié)果之間存在很好的一致性。
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