近日由伊利諾大學(xué)的電子和計(jì)算機(jī)工程學(xué)以及生物工程學(xué)教授Rashid Bashir領(lǐng)導(dǎo)的科研小組利用一種新型的微傳感器揭示了細(xì)胞質(zhì)量與細(xì)胞增殖率之間的關(guān)系，研究結(jié)果在線發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院刊》(PNAS)雜志上。
“新型微傳感器是微型工程學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)融合的產(chǎn)物，”伊利諾大學(xué)微納米技術(shù)工程學(xué)實(shí)驗(yàn)室的主管Bashir說(shuō)：“新工具將推動(dòng)生物學(xué)的發(fā)展，幫助我們解答細(xì)胞生物學(xué)、癌癥研究及組織工程學(xué)一系列重要問(wèn)題。”
揭示細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂的機(jī)制不僅對(duì)于基礎(chǔ)生物學(xué)，并且對(duì)于診斷、藥物開發(fā)、組織工程學(xué)及了解癌癥機(jī)制都具有重要的意義。例如了解這些過(guò)程中的關(guān)鍵機(jī)制有助于確定特異的藥物靶點(diǎn)以減慢或阻止癌細(xì)胞失控性生長(zhǎng)。
長(zhǎng)期以來(lái)生物學(xué)家都存在一個(gè)疑問(wèn)即細(xì)胞是以固定的速率增長(zhǎng)或是隨著細(xì)胞質(zhì)量增加相應(yīng)細(xì)胞生長(zhǎng)亦加速?由于過(guò)去的研究通常利用積聚的細(xì)胞群進(jìn)行研究，因而無(wú)法確定單個(gè)細(xì)胞生長(zhǎng)的模式。
利用小型敏感的微傳感器，伊利諾大學(xué)的研究人員追蹤了單個(gè)結(jié)腸癌細(xì)胞形成的細(xì)胞團(tuán)及其分裂過(guò)程。研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)胞并不是在整個(gè)細(xì)胞周期中以相同的速率生長(zhǎng)，而是隨著細(xì)胞質(zhì)量增加生長(zhǎng)速度不斷加快。
微傳感器一種集成在硅芯片上的微小的懸浮結(jié)構(gòu)。每個(gè)微傳感器僅有50微米寬，相當(dāng)于人一根頭發(fā)一半的寬度。這種懸浮的結(jié)構(gòu)能以特定的頻率振動(dòng)，并隨著質(zhì)量增加而發(fā)生改變。隨著細(xì)胞質(zhì)量增加，傳感器的共振頻率下降。
“傳感器結(jié)構(gòu)越小對(duì)放置在上面的細(xì)胞質(zhì)量越敏感，”Bashir說(shuō)：“一個(gè)細(xì)胞通常只有幾毫克重或更小。如果我們能夠?qū)鞲衅髦谱鞯米銐蛐。敲此蜁?huì)對(duì)細(xì)胞的質(zhì)量非常的敏感。”
研究人員開發(fā)了一種陣列傳感器芯片，在這種芯片上研究人員采用與培養(yǎng)皿相似的方法對(duì)細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，這使得他們能夠在獲得多個(gè)細(xì)胞的數(shù)據(jù)的同時(shí)亦可以對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè)。
這些微傳感器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)細(xì)胞在傳感器上生長(zhǎng)時(shí)，研究人員可通過(guò)顯微鏡獲得細(xì)胞的圖像。通過(guò)觀察這些細(xì)胞，研究人員追蹤了各種細(xì)胞過(guò)程與細(xì)胞質(zhì)量變化之間的聯(lián)系。
“以圖像作為對(duì)照，我們能確實(shí)地觀察到細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)，并將其與檢測(cè)結(jié)果聯(lián)系起來(lái)。它能夠真實(shí)地驗(yàn)證我們所獲得的結(jié)果，”Bashir說(shuō)：“現(xiàn)在我們能夠?qū)⒐鈱W(xué)測(cè)量與質(zhì)量檢測(cè)集合到一起。”
通過(guò)檢測(cè)活細(xì)胞及固定細(xì)胞，研究人員利用數(shù)學(xué)模型還可推斷出細(xì)胞的物理特性例如硬度。論文的共同作者、機(jī)械科學(xué)及工程學(xué)教授Narayana
Aluru和K. Jimmy Hsia進(jìn)行了廣泛的分析和數(shù)值模擬揭示了細(xì)胞硬度和接觸對(duì)質(zhì)量測(cè)量的影響。
接下來(lái)，研究人員計(jì)劃將研究范圍擴(kuò)展到其他細(xì)胞系并探索更多的光學(xué)測(cè)量方法及熒光標(biāo)記。
