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(wú)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(guó)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(lái)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獨(dú)特的性質(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(lái)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(guò)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(lái)表征重建囊泡的力學(xué)特征。通過(guò)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(lái)自兩批獨(dú)立的樣品。直方圖a顯示了來(lái)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(lái)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Z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(lái)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se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Z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Z大捕獲，而將孵育時(shí)間延長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)程中發(fā)生的Z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Z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。總的來(lái)說(shuō)，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(guò)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)果之間存在極好的一致性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Jiani Bei, Ernesto G. Miranda-Morales, Qini Gan, Yuan Qiu1, Sorosh Husseinzadeh, Jia Yi Liew, Qing Chang, Balaji Krishnan, Angelo Gaitas, Subo Yuan, Michelle Felicella, Wei Qiao Qiu, Xiang Fang. Circulating exosomes from Alzheimers disease suppress VE-cadherin expression and induce barrier dysfunction in recipient brain microvascular endothelial cell. (Apr 2023) bioRxiv.

[2] Maja Levak Zorinc, Irem Demir-Yilmaz, Cecile Formosa-Dague, Ivna Vrana, Blaˇzenka Gaˇsparovi′c, Lucija Horvat, Ana Butorac, Ruˇza Frkanec, Nadica Ivoˇsevi′c DeNardis. Reconstructed membrane vesicles from the microalga Dunaliella as a potential drug delivery system. (Dec 2022) Bioelectrochemistry.

[3] Fei Pan, Stefanie Altenried, Subas Scheibler, Alexandre H.C. Anthis, Qun Ren. Specific capture of Pseudomonas aeruginosa for rapid detection of antimicrobial resistance in urinary tract infections. (Nov 2022) Biosensors and Bioelectronics.

[4] Sebastian J. Müller, Ben Fabry, Stephan Gekle. Predicting Cell Stress and Strain during Extrusion Bioprinting. (Jun 2023) PHYSICAL REVIEW APPLIED.

[5] W. Chen, O. Guillaume-Gentil, P. Yde Rainer, C. G. G?belein, W. Saelens, V. Gardeaux, A. Klaeger, R. Dainese, M. Zachara, T. Zambelli, J. A. Vorholt & B. Deplancke. Live-seq enables temporal transcriptomic recording of single cells. (Aug 2022) Nature, doi:10.1038/s41586-022-05046-9.

[6] O. Guillaume-Gentil, R.V. Grindberg, R. Kooger, L. Dorwling-Carter, V. Martinez, D. Ossola, M. Pilhofer, T. Zambelli & J.A. Vorholt. Tunable Single-Cell Extraction for Molecular Analyses. (Jul 2016) Cell, 166(2), 506-516. doi: 10.1016/j.cell.2016.06.025.

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