微流控装置追踪细胞“柔软度”：速度与可靠性超越传统方法

布朗大学的研究人员及其合作者开发了一种测量细胞特性的新方法。研究团队表示，这一进展具有重要意义，因为准确测量细胞弹性的变化，可用于更深入地理解疾病机制、辅助患者诊断并提供更精准的预后判断。

以肿瘤为例，癌细胞通常会随着恶性程度升高和转移风险增加而变得更软；而疟疾、镰状细胞贫血等血液疾病则会导致红细胞变硬。此外，神经退行性疾病、心血管疾病及慢性炎症性疾病中，同样存在细胞层面的机械特性变化。

据发表在《芯片实验室》期刊上的一项研究，研究人员推出了一种名为“机械表型细胞仪”的微流控装置，用于测量细胞的物理尺寸与柔软度，即其机械表型。

机械表型分析：未被充分利用的工具

该研究的主要作者、布朗大学生物医学工程博士候选人格雷伦·奇克林指出，机械表型分析目前尚未得到充分利用，主要原因是相关测量技术落后于其他细胞特性分析方法。

奇克林解释，测量细胞柔软度或硬度的“金标准”是原子力显微镜。这种方法需要将细胞贴在表面上，再用微小的压头逐一测试。

“这本质上就是通过戳刺细胞来实现测量的，”奇克林说。“想象一个水球，如果你戳它的边缘而不是中心，手感会完全不同。而且这种方法速度相当慢，很难在合理时间内研究大量细胞。”

细胞行进时间：一项关键测量指标

在开发新技术过程中，科学家们引入了一种称为“飞行时间”的测量方法，即细胞穿过充满液体的微通道所需的时间。

“细胞从一个检查点移动到另一个检查点，我们从每个检查点获取时间戳，从而确定飞行时间，”奇克林表示。

研究人员利用流式细胞仪中现有的荧光信号确定细胞大小，再结合飞行时间判断细胞硬度。较软的细胞会向流体流动最快的通道中心移动，而较硬的细胞则停留在流体流动较慢的边缘。

奇克林称，原子力显微镜下一位经验丰富的科学家大约每30秒能测量一个细胞，而使用新方法每秒可观测60到100个细胞，未来甚至可达数百至数千个。

“格雷伦提供的数据验证了这一概念的可行性。数据显示，不同硬度和不同大小的细胞颗粒具有不同的飞行时间，这与我们的理论预期一致，”该研究作者、布朗大学副教授埃里克·达林表示。“与传统方法相比，这种方法非常简洁且可重复。传统方法往往会因操作方式不同而产生差异。”

跨机构合作与未来应用

这项成果是布朗大学生物、工程和医学研究所与马里兰州国家标准与技术研究院团队多年合作的结晶。达林表示，布朗大学提供了适合实验的合成细胞样颗粒，而NIST的科学家则设计了细胞仪的基础结构。

“我们为合作带来了聚合物细胞模拟物，这些模拟物作为特定尺寸和刚度的校准颗粒，用于绘制这些特性如何影响设备记录的不同指标，”达林说。“NIST流式细胞仪具备多区域测量功能，可以量化每个流经颗粒的误差。这使我们能够展示测量结果中存在的生物学和技术两方面的变异性。”

未来，研究团队将利用机械表型细胞仪分析布朗大学临床合作伙伴提供的人类血液和组织样本中的细胞机械特性。

达林表示：“我们预计健康个体与某些疾病（如癌症）患者之间会存在差异。最终我们希望这类设备能与现有方法一起，辅助诊断或预后判断。”

更多信息：Graylen R. C. Chickering et al, High-variance mapping of mechanical phenome in a microfluidic flow cytometer, Lab on a Chip (2025). DOI: 10.1039/D4LC00835J

本文来源：微流控装置追踪细胞“柔软度”研究进展