生活微环境中的细胞不断受到张力、静水压力和剪切力等物理力的作用。细胞对外界信号的感知和反应是细胞自我调节以适应和响应外界环境机械力变化的重要力学特性。比如在肿瘤微环境中，当空间结构、抗拉强度、弹性系数等发生变化时，癌细胞会做出相应的调整，改变自身的力学特性。一方面，通过驱动和调节细胞形状、骨架结构和粘附亲和力，产生特定的适应性行为，如入侵、迁移等。另一方面，通过激活特定的基因程序，改变细胞核内DNA的转录，激活相应的信号通路，最终触发耐药机制。
了解和研究细胞的力学性质，对于细胞分离、疾病诊断、免疫状态分析和药物筛选等都具有重要意义。目前最常用的测量单细胞力学性质的方法主要分为两类：1)通过操纵光束或悬臂梁对细胞施加机械刺激，测量相关的力曲线以获得细胞的机械反馈，包括原子力显微镜、光镊和磁镊等。2)通过随机分布荧光粒子的基底变形绘制大细胞的力学分布，包括牵引显微镜和微柱阵列检测传感器等。然而，“1个细胞/测试”的复杂计算和吞吐量决定了它们在基于大量细胞的临床分析中的有限能力。
近日，北航常凌乾研究组在《Small日报》发表了题为《单个活细胞交替力学异质性的高通量DNA张紧平台》的研究论文。
通过精确设计阵列化、图形化的单细胞微孔阵列芯片,这项工作确保了细胞的高通量定向操作(一次高达10E6个细胞/芯片)，并从细胞数量上满足了群体细胞行为研究的要求，这符合统计学意义。同时，寻址、精确控制和追踪单个细胞是常规技术无法实现的。在微孔底部修饰了一个用于荧光成像的DNA张力传感器，用于细胞机械力的高分辨率成像。
脱氧核糖核酸张力传感器可以通过修饰的胆固醇自发嵌入细胞膜。在外界环境的刺激下，细胞力学特性的变化通过DNA张力传感器诱导发夹结构的改变，导致荧光基团和淬灭基团的分离，从而产生荧光信号。DNA张力传感器可以通过调节发夹结构的长度和序列来调节测量阈值，其测量精度可以达到pN级。
图1。用于研究单细胞力学异质性的高通量DNA张力传感器平台示意图
结果表明，耐药肿瘤细胞与非耐药肿瘤细胞之间存在明显的机械异质性。与非耐药肿瘤细胞相比，对紫杉醇有一定耐药性的耐药肿瘤细胞硬度降低，细胞机械力引起的荧光信号增强。为了进一步分析单细胞机械异质性的原因，我们通过单细胞RNA测序技术证实了两个细胞群体之间潜在的遗传异质性。结果表明，耐药细胞中与细胞骨架重塑相关的两个基因的表达水平普遍升高。
随后，研究团队将siVEGFA和siMINK1转染到耐药肿瘤细胞中，下调了这两个基因的表达水平。最后，该平台的检测结果显示，随着相关基因表达的下调，耐药肿瘤细胞的荧光信号明显下降，证实了VEGFA和MINK1与耐药细胞机械力增加的机制正相关，提示VEGFA和MINK1可能参与了耐药肿瘤细胞的机械调节。
图2。耐药和非耐药肿瘤细胞机械力的成像与分析
为了评价该平台的临床应用价值，我们从肺癌组织中采集了10个原发肿瘤细胞样本，从肺癌胸腔积液中采集了5个肿瘤细胞样本。基于肿瘤细胞生物标志物上皮细胞粘附分子，通过免疫荧光染色筛选肿瘤细胞。随后，该平台用于检测筛选的肿瘤细胞的机械特性。通过比较各单细胞的荧光信号，统计结果显示肺癌组织中原代细胞的机械力明显低于胸腔积液肿瘤细胞，这与其他报道的转移性肿瘤细胞比非转移性肿瘤细胞具有更高机械力的结果一致。
此外，研究团队使用qPCR检测了10例肺癌组织样本和5例胸腔积液样本中VEGFA和MINK1的表达水平。与非转移性肿瘤细胞相比，转移性肺癌细胞中VEGFA和MINK1的表达水平相对较高。这一结果证实了该平台能够根据力学异质性有效区分非转移性肿瘤细胞和转移性肿瘤细胞，从细胞力学特性的角度支持了该平台在肿瘤转移临床研究中的潜力。
图3。临床肿瘤细胞样本中转移性肿瘤细胞和非转移性肿瘤细胞的力学特性
本研究的第一作者是北航杭欣欣,博士博士生、何诗琦博士和董再再,博士硕士生。第一个单位是北京生物医学工程高新技术创新中心和北航生物与医学工程学院。中国科学院北京基因组研究所研究员蒋岚是本文的合著者，在鉴定两个关键基因VEGFA和MINK1方面提供了重要帮助。患者样本由北京大学肿瘤医院提供。本文的其他主要合著者包括清华大学任教授、北航大学范玉波教授和中国科学院生物物理研究所楼继忠研究员。
论文链接:
https://doi.org/10.1002/smll.202106196
发布时间：2022-02-09 16:53
