我的快乐小窝 每日热点 科学家开发单细胞旋转黏附频率测定技术,将在生物学发挥重要作用

科学家开发单细胞旋转黏附频率测定技术,将在生物学发挥重要作用

“这篇论文的其中一个审稿人认为,这项技术完全不同于传统的技术。我们这项技术更能模拟出在体液环境下外来病毒或细菌入侵人体所产生的一种黏附的切向力效应。”谈及论文审稿人的评价,美国德克萨斯州大学奥斯汀分校

“这篇论文的其中一个审稿人认为,这项技术完全不同于传统的技术。我们这项技术更能模拟出在体液环境下外来病毒或细菌入侵人体所产生的一种黏附的切向力效应。”谈及论文审稿人的评价,美国德克萨斯州大学奥斯汀分校的刘耀然博士表示。

近年来,随着一场始料未及的新冠疫情的发生,人们也开始越发关注此次疫情的元凶——SARS-CoV-2。它的感染途径一般是,其病毒刺突与人体宿主细胞上的 ACE2 蛋白结合导致病毒黏附人体细胞表面,进而实现病毒感染。

其中,病毒刺突类似于一把“钥匙”,可与人体宿主细胞上的“锁”(受体)完成配对,然后撬开“门锁”入侵人体细胞。当然,不仅仅是当下火热的新冠病毒,生命系统中的许多其他生理过程,包括细菌感染、免疫应答等,都与上述过程有类似的地方。

对“钥匙”和“锁”的结合力进行研究,将有助于我们更有针对性地开发药物和预防感染。然而,受限于现有的观测和测量手段,直接在活体生物内研究结合力,是一件极其困难的事。因此,科学家们寻求搭建一个类似于人体的环境,来模拟研究血液里生物黏附的情况。

图 | 刘耀然(来源:刘耀然)

可用于测量几乎任何特定的细胞黏附力

目前,研究人员已经开发了多项黏附测量单细胞水平上配体与受体黏附的动力学技术。不过,现有的单细胞技术,基本上用于测量生物体表面黏附分子的牵张力,而真实体液环境下的分子结合力,不仅仅有分子的牵张力,还有的分子的切向力。

所以,传统的牵张力测量具有很大局限,其测量结果与真实体液环境下的分子结合力差异明显。同时,由于被测样品在许多方面存在差异,运用不同牵张力测量方法所得的结果也会存在较大不同。

为了解决现有细胞黏附测定法存在的局限性,近日,德克萨斯大学奥斯汀分校(UT-Austin)郑跃兵教授团队与中国科学院物理研究所研究员杨明成团队合作,联合开发了一种名为单细胞旋转黏附频率测定(scRAFA)的全新光学技术。

这种技术可模拟体内细胞的黏附,对于靶向测量生物体表面黏附分子,该研究对其切向力的具体实现过程进行了体现,这不同于传统技术多用于牵张力的测量。

图 | scRAFA 对体内细胞黏附的模拟(来源:eLight)

近日,相关论文以《光驱动单细胞旋转黏附频率测定》(Light-driven single-cell rotational adhesion frequency assay)为题在 eLight 上发表[1]。刘耀然博士担任论文第一作者,中国科学院物理研究所研究员杨明成和德克萨斯大学奥斯汀分校教授郑跃兵共同担任通讯作者。

图 | 相关论文(来源:eLight)

如下图中的(a)所示,scRAFA 是一个集成多种光热操作和光学成像的微流控平台,在捕获和旋转单个细胞的同时,监测细胞的顺序旋转和细胞-基质黏附(cell-matrix adhesion)。

比如,下图中的(b)和(c)显示了单个细胞在衬底上的光驱动捕获和旋转的连续图像,研究人员使用分别为 785nm 和 532nm 的两个激光束,实现了对目标细胞的高效捕获和旋转。为了在捕获的细胞上施加扭矩并用光热驱动细胞平面外的旋转,研究人员还对沿细胞表面的不平衡热渗透流进行了控制(如下图中的 d)。

结果说明,当被困细胞在激光束左侧的时候,细胞是逆时针旋转的。研究人员又通过实验跟踪捕获技术,发现细胞中心的时间轨迹统计分布偏离于激光束中心位置,这和传统光镊技术相比有很大不同。由于对热泳力的排斥,加热中心和被捕获细胞中心之间的距离超过 2μm,因此当激光功率处于 0.2mW/μm2 时,细胞膜上的表面温度接近人体温度。

图 | scRAFA 的实验装置和工作原理(来源:eLight)

因为黏附强度非常依赖细胞和基质间的距离,所以精确控制细胞和基质之间相互作用的距离,对于测量 scRAFA 的黏附强度来说至关重要。对此,研究人员通过原位光投射测量并提取细胞旋转期间的细胞-基质距离。他们还使用配体对衬底进行功能化,并通过跟踪光驱动的细胞旋转和相关细胞与衬底的黏附,来研究细胞受体和配体之间的相互作用。

此外,为测量血管和膀胱中产生的体内剪切力,研究人员还收集了一系列临床生物流体,包括从细菌到不同大小和长宽比的中性粒细胞的各种生物体,充分扩展了 scRAFA 技术的适用性。

综上,相较在正常方向上破坏黏合剂接触以测量黏附动力学的方法,scRAFA 通过在单个平台上的光学旋转和捕获的无缝融合,可以瞄准几乎任何特定的细胞,并完成整个细胞黏附过程的连续监测,这是传统方法无法实现的。

目前,scRAFA 技术能够原位高精度测量复杂临床样本中的靶细胞,包括人体尿液中单个纳米级的大肠杆菌、链球菌等各类细菌,以及血液中淋巴细胞的剪切黏附动力学。

该技术将在细胞生物学、免疫治疗、泌尿道感染等领域发挥重要作用,可帮助研究人员增强药物设计的针对性,未来将有助于推动免疫应答和创伤愈合等生理和病理学的研究。

开发新型糖尿病检测技术,提高糖尿病检测准确率

据悉,除了上述工作,刘耀然还开发出了一种新型糖尿病检测技术。传统的糖尿病诊断依赖于对血糖的多次监测,这种方式不仅耗时、繁琐,而且对于糖尿病的早期筛查有着很大的不确定性。

为此,刘耀然联合德州大学圣安东尼奥的临床医学专家合作开发一种通过检测尿液中的手性生物分子来诊断糖尿病的技术。相关论文以《无标记检测糖尿病中的异常手性代谢物》(Label-free ultrasensitive detection of abnormal chiral metabolites in diabetes)为题在 ACS Nano 上发表[2]。

人体中的许多手性小分子代谢物与糖尿病有着紧密的联系,不过,由于这些小分子代谢物的含量十分有限,用传统技术无法做到全面准确的检测。刘耀然及其所在团队通过对人体尿液中这些小分子代谢物的有效浓缩和局部黏附,大大提高了检测的速率和准确性。

具体而言,研究者将尿液中随机分布的分子通过热泳聚集于只有微米级大小区域内,从而提升局部小分子代谢物的浓度。实验发现这项技术的浓缩效率接近 6 个数量级,能够成功检测用传统技术无法检测到的代谢物。

图 | 无标记检测糖尿病中的异常手性代谢物的工作原理和检测准确度(来源:ACS Nano)

实验结果显示,相较传统的尿液糖尿病检测,这种新型糖尿病检测技术的检测准确率提升了 12%。并且,传统的临床测试通常需要至少 24 小时才能返回结果,但是这个新的诊断能在几秒钟内做出响应。

目前,刘耀然及其团队正致力于将这一发现商业化,除了可能将其作为家庭诊断测试出售外,还计划创建一个模块出售给临床医生,以连接到他们现有的诊断系统中。研究人员还寻求将该测试的应用范围扩大到慢性肾病和其他涉及手性变化的疾病检测中。

扎根精密光学设备,投身半导体芯片制造产业

刘耀然于 2014 年本科毕业于电子科技大学的微电子与固体电子学专业,2021 年博士毕业于美国德克萨斯州奥斯汀分校的固体电子学,曾参与各类光学、电子和医学等国际会议,获国家奖学金,国家优秀毕业生等诸多奖项。

现在,他在美国硅谷的一家半导体公司工作,主要负责研发芯片相关的精密光学检测设备。一直以来,中国在芯片的加工和设计上都不如欧美国家,尤其是在高端芯片领域,很多技术与设备都被欧美垄断,这造成中国芯片被卡脖子的问题。

在全球芯片荒和中国芯片短板落后的环境下,未来,他会考虑回国,将所研究和开发的技术用以解决中国民族工业尤其是芯片制造产业的问题。

此外,他还将继续推进精密光学检测在生物领域的应用。在 scRAFA 这项成果的后续应用计划中,刘耀然表示:“我们主要希望能用这项技术解决当下面临的实际问题。接下来会研究单个冠状病毒,深入探明它们是如何黏附到人体的血液细胞上,又是如何产生增殖并最终导致新冠肺炎的发生。”

参考资料:

1.Y Liu, H Ding, J Li, X Lou, M Yang, Y Zheng.et al. Light-driven single-cell rotational adhesion frequency assay. Elight 2 (1), 1-11, 2022

2.Y Liu, Z Wu, PS Kollipara, R Montellano, K Sharma, Y Zheng. Label-free ultrasensitive detection of abnormal chiral metabolites in diabetes. ACS nano 15 (4), 6448-6456, 2021

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