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  活體微環(huán)境中細(xì)胞不斷受到諸如拉力、靜水壓力和剪切力等物理力的作用。細(xì)胞對(duì)于外界信號(hào)的感知和響應(yīng)是細(xì)胞的自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)和應(yīng)答外界環(huán)境機(jī)械力的變化的一種重要機(jī)械特性。例如，在腫瘤微環(huán)境中，空間結(jié)構(gòu)、張力強(qiáng)度、彈性系數(shù)等發(fā)生變化時(shí)，癌細(xì)胞會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)以改變自身的機(jī)械特性，一方面通過(guò)驅(qū)動(dòng)并調(diào)整細(xì)胞形狀、骨架結(jié)構(gòu)以及粘附親和度，產(chǎn)生特定適應(yīng)性行為，如侵襲、遷移等；另一方面通過(guò)激活特定基因程序，改變細(xì)胞核中DNA轉(zhuǎn)錄，激活相應(yīng)信號(hào)通路，并最終觸發(fā)耐藥性機(jī)制。了解和研究細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)對(duì)細(xì)胞分離、疾病診斷、免疫狀態(tài)分析和藥物篩選等至關(guān)重要。目前，最常用的測(cè)量單細(xì)胞機(jī)械力學(xué)性能的方法主要分為兩大類：（1）通過(guò)操縱光束或懸臂來(lái)對(duì)細(xì)胞施加機(jī)械刺激，測(cè)量相關(guān)的力曲線，以獲得細(xì)胞的機(jī)械反饋,包括原子力顯微鏡、光鑷和磁鑷等。（2）采用隨機(jī)分布熒光粒子的襯底變形來(lái)繪制大型細(xì)胞的力學(xué)分布，包括牽引力顯微鏡和微柱陣列檢測(cè)傳感器等。然而，復(fù)雜的計(jì)算和“1個(gè)細(xì)胞/試驗(yàn)”的吞吐量決定了它們?cè)诨诖罅考?xì)胞的臨床分析方面的能力有限。

  近日，北京航空航天大學(xué)常凌乾課題組在《Small》上發(fā)表了題為“High-throughput DNA tensioner platform for interrogating mechanical heterogeneity of single living cell”的研究論文。該工作通過(guò)精確設(shè)計(jì)陣列化、圖形化的單細(xì)胞微孔陣列芯片，保證高通量細(xì)胞定向操縱（單次可達(dá)10⁶個(gè)細(xì)胞/芯片），從細(xì)胞數(shù)量上達(dá)到群體細(xì)胞行為研究的要求，滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。同時(shí)，可尋址并精確控制和追溯單細(xì)胞，是常規(guī)技術(shù)無(wú)法達(dá)到的。微孔底部修飾了一種用于熒光成像的DNA張力傳感器，用于細(xì)胞機(jī)械力的高分辨成像。該DNA張力傳感器可以通過(guò)修飾的膽固醇自發(fā)地嵌入細(xì)胞膜，在外界環(huán)境的刺激下，細(xì)胞機(jī)械特性的變化通過(guò)DNA張力傳感器誘導(dǎo)發(fā)夾結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致熒光基團(tuán)和淬滅基團(tuán)的分離，從而產(chǎn)生熒光信號(hào)。該DNA張力傳感器可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)夾結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度與序列對(duì)所測(cè)的閥值進(jìn)行調(diào)控，其測(cè)量精度可達(dá)到pN級(jí)。

圖1. 高通量DNA張力傳感器平臺(tái)用于研究單細(xì)胞的力學(xué)異質(zhì)性的原理圖

  研究結(jié)果表明耐藥性腫瘤細(xì)胞與非耐藥性腫瘤細(xì)胞之間存在明顯的機(jī)械異質(zhì)性。相比非耐藥性腫瘤細(xì)胞，對(duì)于化療藥物紫杉醇具有一定抗性的耐藥性腫瘤細(xì)胞的硬度降低，細(xì)胞機(jī)械力引起的熒光信號(hào)升高。為了進(jìn)一步分析導(dǎo)致單細(xì)胞機(jī)械異質(zhì)性的原因，他們通過(guò)單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)證實(shí)了兩個(gè)細(xì)胞群之間潛在的遺傳異質(zhì)性，結(jié)果顯示耐藥性細(xì)胞中與細(xì)胞骨架重塑有關(guān)的兩種基因VEGFA和MINK1的表達(dá)量普遍增加。隨后，他們通過(guò)將siVEGFA和siMINK1轉(zhuǎn)染到耐藥性腫瘤細(xì)胞中，下調(diào)了這兩個(gè)基因的表達(dá)水平。最終，該平臺(tái)檢測(cè)結(jié)果顯示，伴隨著相關(guān)基因表達(dá)量的下調(diào)，耐藥性腫瘤細(xì)胞的熒光信號(hào)明顯下降，證實(shí)了VEGFA和MINK1與耐藥性細(xì)胞機(jī)械力增加的機(jī)制呈正相關(guān)，提示VEGFA和MINK1可能參與了腫瘤細(xì)胞形成耐藥性過(guò)程中的機(jī)械調(diào)控。

圖2.耐藥性和非耐藥性腫瘤細(xì)胞的機(jī)械力的成像與分析

  為了評(píng)估該平臺(tái)的臨床應(yīng)用價(jià)值，他們收集了10個(gè)肺癌組織的原發(fā)腫瘤細(xì)胞樣本和5個(gè)肺癌胸腔積液中腫瘤細(xì)胞樣本�；谀[瘤細(xì)胞生物標(biāo)志物上皮細(xì)胞黏附分子免疫熒光染色對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行篩選。隨后，使用該平臺(tái)對(duì)篩選完成的腫瘤細(xì)胞進(jìn)行了機(jī)械特性的檢測(cè)。通過(guò)比較每個(gè)單細(xì)胞的熒光信號(hào)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，肺癌組織原發(fā)細(xì)胞的機(jī)械力明顯低于胸腔積液腫瘤細(xì)胞，這與其他報(bào)道的轉(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞比非轉(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞具有更高的機(jī)械力的結(jié)果一致。另外，他們使用qPCR對(duì)10個(gè)肺癌組織樣本和5個(gè)胸腔積液樣本VEGFA和MINK1的表達(dá)量進(jìn)行了檢測(cè)，與非轉(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞相比，轉(zhuǎn)移性肺癌細(xì)胞中VEGFA和MINK1表達(dá)量相對(duì)較高。這一結(jié)果證實(shí)了該平臺(tái)可以根據(jù)力學(xué)異質(zhì)性有效地區(qū)分非轉(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞和轉(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞，從細(xì)胞機(jī)械特性的角度支持了該平臺(tái)在臨床研究腫瘤轉(zhuǎn)移方面的潛力。

圖3. 臨床腫瘤細(xì)胞樣本中發(fā)生轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞與未轉(zhuǎn)移腫瘤細(xì)胞的機(jī)械力特性

  該研究第一作者是北航博士生杭欣欣，碩士生何詩(shī)琦和董再再博士。第一單位為北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心和北航生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院。中國(guó)科學(xué)院北京基因組所蔣嵐研究員為文章的共同通訊作者，在識(shí)別VEGFA和MINK1兩個(gè)關(guān)鍵基因方面提供了重要幫助；該研究病人樣本由北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院提供；文章的其他主要共同作者包括，清華大學(xué)任天令教授，北京航空航天大學(xué)樊瑜波教授，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所婁繼忠研究員。

  文章鏈接： https://doi.org/10.1002/smll.202106196