生物納米壓痕儀測試細(xì)胞力學(xué)特性作為新的腫瘤標(biāo)志物

癌癥是全球主要死亡原因之一，其是由正常細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)閻盒约?xì)胞而產(chǎn)生的。這些變化是遺傳傾向和環(huán)境因素（致癌物）之間相互作用的結(jié)果。最常見的癌癥治療方法是單獨(dú)或聯(lián)合手術(shù)、放療和化療。具體的治療方法取決于癌癥的類型、疾病的嚴(yán)重程度、進(jìn)展速度、患者的健康狀況以及對治療的反應(yīng)。

先進(jìn)的機(jī)械表征工具可以加深對癌細(xì)胞形態(tài)和力學(xué)及其在發(fā)育、生理學(xué)和疾病中的作用的理解。

細(xì)胞硬度、細(xì)胞外基質(zhì)(EMC)和微環(huán)境機(jī)械特性的變化會影響癌癥的進(jìn)展。雖然癌細(xì)胞通常比健康細(xì)胞軟，但由于與纖維化相關(guān)的基質(zhì)硬化，腫瘤往往比周圍組織更硬。此外，ECM重塑導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)移性播散。ECM重塑可能會改變細(xì)胞行為，例如基質(zhì)幾何形狀和剛性的識別、細(xì)胞骨架重組、細(xì)胞極化、運(yùn)動和增殖。從這個意義上說，Optics11 Life生物納米壓痕儀成為癌癥新治療方法的強(qiáng)大方法。該設(shè)備可以識別正常細(xì)胞和惡性細(xì)胞之間的機(jī)械差異并預(yù)測癌癥進(jìn)展，將這些方法轉(zhuǎn)化為臨床和治療干預(yù)措施可以實現(xiàn)新的癌癥治療。

來自利愛爾蘭利莫瑞克大學(xué)(University of Limerick)的Kieran McGourty和David Newport團(tuán)隊，研究了細(xì)胞骨架損傷對細(xì)胞慣性位置的影響。使用細(xì)胞松弛素處理兩種代表性癌細(xì)胞系，使用粒子條紋成像研究它們的慣性位置，并在良性和轉(zhuǎn)移性細(xì)胞系之間進(jìn)行比較。為了確定和量化細(xì)胞中這種遷移的物理變化，使用染色和納米壓痕技術(shù)來確定細(xì)胞的大小、圓形度和彈性模量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，暴露于松弛素會導(dǎo)致細(xì)胞彈性模量下降，但大小或形狀沒有變化。這導(dǎo)致良性、較硬的癌細(xì)胞比轉(zhuǎn)移性、可變形的癌細(xì)胞更均勻地分布在通道寬度上。此外，兩種細(xì)胞系彈性模量的降低導(dǎo)致向通道中心的遷移增加。這些結(jié)果表明，彈性模量在此類細(xì)胞的慣性遷移中所起的作用可能比以前認(rèn)為的更大。

使用Chiaro納米壓痕儀測量細(xì)胞彈性模量，半徑為8.0 μm的球形探針，懸臂彈簧常數(shù)為0.031 N/m。將樣品載玻片安裝在倒置顯微鏡上，以便將探針聚焦在細(xì)胞中心。每種實驗條件使用三個不同傳代數(shù)的培養(yǎng)皿，隨機(jī)選擇30-40個細(xì)胞，室溫下在每個培養(yǎng)皿中測試。將探針放置在每個細(xì)胞的中心上，以確保最大的接觸表面。

先前已經(jīng)表明，在癌細(xì)胞和非癌細(xì)胞中，中心和外周納米壓痕位置之間沒有統(tǒng)計學(xué)差異。細(xì)胞以1 μm/s的加載速度下壓6 μm，持續(xù)時間為1 s。未能滿足0.008 μN(yùn)最小載荷的壓痕被排除在外，因為這些細(xì)胞有可能無法正確固定到皿的底部。

從最大載荷的初始22%開始分析力-壓痕曲線。數(shù)據(jù)采集后，使用D'Agostino-Pearson正態(tài)性檢驗來檢查，并使用ROUT方法識別異常值，并將其從最終數(shù)據(jù)集中排除。數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差"表示。使用方差分析進(jìn)行統(tǒng)計分析，并使用兩個樣本的不相等方差來計算組之間的P值。

相關(guān)研究結(jié)果在《Biophysical Journal》雜志上以題目"The influence of cell elastic modulus on inertial positions in Poiseuille microflows"的文章發(fā)表。

doi: 10.1016/j.bpj.2021.01.026