亮點聚焦

 1.高通量測量：FluidFM OMNIUM系統(tǒng)能夠在每小時測量多達(dá)50個哺乳動物細(xì)胞的粘附力，顯著提升了單細(xì)胞力譜的通量。

 2.廣泛的力學(xué)范圍：FluidFM技術(shù)能夠測量高達(dá)3µN的粘附力，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的力學(xué)范圍。

 3.全自動化流程：從細(xì)胞抓取、力-距離曲線測量到細(xì)胞釋放和清洗，整個過程實現(xiàn)全自動化，確保數(shù)據(jù)的一致性和可重復(fù)性。

 4.高效數(shù)據(jù)分析：系統(tǒng)自動生成每個細(xì)胞的力-距離曲線，便于快速比較不同細(xì)胞群體的粘附力，助力細(xì)胞粘附機(jī)制的研究。

引言

細(xì)胞粘附在組織形成、維持和功能中扮演著至關(guān)重要的角色。細(xì)胞間的相互作用通過跨膜蛋白復(fù)合物（如鈣粘蛋白和整合素）介導(dǎo)，這些復(fù)合物不僅維持著細(xì)胞的連接，還在癌癥生物學(xué)中影響腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移，并將促進(jìn)新型靶向療法的開發(fā)。因此，量化活細(xì)胞粘附力對于理解細(xì)胞黏附的生理機(jī)制至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的單細(xì)胞力譜（SCFS）技術(shù)依賴于原子力顯微鏡（AFM），雖然能夠精確測量活細(xì)胞粘附強(qiáng)度，但其通量低、操作復(fù)雜、且需要繁瑣的細(xì)胞固定步驟。FluidFM技術(shù)的引入改變了這一局面，它不僅消除了對細(xì)胞涂層和功能化的需求，還大幅提高了測量通量和力學(xué)范圍（可高達(dá)3 µN）。

傳統(tǒng)SCFS與FluidFM的比較

傳統(tǒng)單細(xì)胞力譜（SCFS）

傳統(tǒng)SCFS通過將細(xì)胞固定在AFM懸臂上，測量細(xì)胞與基地之間的粘附力。盡管該方法能夠提供準(zhǔn)確力-距離曲線，但其通量極低，每天僅能測量幾個細(xì)胞。此外，細(xì)胞固定過程非常耗時且需要豐富的經(jīng)驗，限制了其在高通量研究中的應(yīng)用。

FluidFM技術(shù)

FluidFM技術(shù)通過微流體探針實現(xiàn)了對貼壁細(xì)胞的自動化抓取和釋放，無需復(fù)雜的細(xì)胞固定步驟。微吸管通過施加負(fù)壓即可輕松拾取貼壁細(xì)胞，并在測量后自動釋放細(xì)胞，整個過程實現(xiàn)全自動化^[1-8]。這一創(chuàng)新不僅顯著提高了通量，還擴(kuò)展了可檢測的力學(xué)范圍，最高可達(dá)3 µN。

多功能單細(xì)胞顯微操作系統(tǒng)- FluidFM OMNIUM

FluidFM OMNIUM系統(tǒng)的全自動化工作流程

FluidFM OMNIUM系統(tǒng)將單細(xì)胞力譜提升到了全新的水平。整個抓取貼壁細(xì)胞、使其與表面分離、測量力-距離曲線、釋放細(xì)胞以及清洗步驟的過程在FluidFM OMNIUM儀器上全自動化。系統(tǒng)允許在6-24孔板格式中每小時測量多達(dá)50個細(xì)胞，整個過程無需人工干預(yù)。下文案例我們將展示使用新型自動化SCFS工作流程對100個哺乳動物細(xì)胞（CHO和HeLa）進(jìn)行的粘附力測量。

圖1. 使用FluidFM OMNIUM測量哺乳動物細(xì)胞粘附力的自動化單細(xì)胞力譜（SCFS）工作流程。通過Arya軟件手動指向并點擊細(xì)胞來完成細(xì)胞選擇。整個工作流程——包括抓取貼壁細(xì)胞、將其從表面分離、測量力-距離曲線，以及隨后的清洗微吸管步驟——均實現(xiàn)全自動化。

實驗設(shè)置與結(jié)果

在本研究中，作者使用FluidFM OMNIUM系統(tǒng)對CHO和HeLa細(xì)胞的粘附力進(jìn)行了測量。細(xì)胞在12孔板的兩個單獨孔中過夜粘附。細(xì)胞以70%匯合度接種在含有10%胎牛血清（FBS）和1%青霉素/鏈霉素的DMEM-F12培養(yǎng)基中，在37°C和5% CO₂條件下培養(yǎng)。孵育后，用DPBS洗滌孔，并將培養(yǎng)基更換為1毫升無CO₂的L15培養(yǎng)基。然后將板放入FluidFM OMNIUM系統(tǒng)的樣品支架中，并保持恒定37°C。

在選擇細(xì)胞和定義分離參數(shù)后，整個實驗自動進(jìn)行。目標(biāo)細(xì)胞以預(yù)定速度接近懸臂，然后施加負(fù)壓，隨后懸臂回縮，使貼壁細(xì)胞從板表面分離。達(dá)到預(yù)設(shè)回縮距離后，樣品臺將懸臂移動到包含洗滌溶液的系列孔中，釋放細(xì)胞并清洗微吸管。

使用FluidFM OMNIUM中預(yù)編程的軟件模塊，自動測量了100條力-距離曲線，分別來自HeLa和CHO細(xì)胞群體。每次運行50個細(xì)胞的時間如圖2所示，對于HeLa和CHO細(xì)胞均如此。顯然，在兩種情況下，長尾分布中均存在一個單峰，這與先前文獻(xiàn)^[3]相符。在兩種情況下，都發(fā)現(xiàn)了一小部分粘附力非常強(qiáng)的細(xì)胞，其粘附力是群體平均值的數(shù)倍。兩種細(xì)胞類型的粘附力范圍大致相同，從約100 nN到2500 nN。同時，HeLa群體分布的峰值向更高的粘附力方向移動。因此，如果我們匯總所有粘附力值，會發(fā)現(xiàn)顯著差異（p<0.05，雙尾t檢驗）。更重要的是，我們獲得了具有統(tǒng)計意義的數(shù)據(jù)量，使我們能夠確定雖然HeLa細(xì)胞的平均粘附力更高，但兩種類型的細(xì)胞均可在100-2500 nN范圍內(nèi)找到。

圖2. HeLa細(xì)胞和CHO細(xì)胞群體中單個細(xì)胞粘附力的百分比分布

結(jié)論

FluidFM是一項成熟的技術(shù)，擁有100多篇同行評審的出版物，已被廣泛用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，如植入式生物材料^[9]、防污表面^[10]或癌癥研究^[4]?，F(xiàn)在，SCFS已在FluidFM OMNIUM系統(tǒng)上實現(xiàn)自動化，以更高的通量執(zhí)行單細(xì)胞力譜?，F(xiàn)在可以在僅一個實驗日內(nèi)處理具有統(tǒng)計意義的細(xì)胞數(shù)量，從而為每個單個細(xì)胞生成力-距離曲線。每次運行最多可處理50個細(xì)胞，不到2小時即可完成，確保了自動化拾取在允許自然細(xì)胞遷移的細(xì)胞培養(yǎng)條件下的細(xì)胞。與傳統(tǒng)的SCFS相比，這提高了數(shù)量級的通量。使用FluidFM，可檢測力范圍也得到了顯著提高。

本研究展示了群體中單個細(xì)胞的分布，并證明了在具有統(tǒng)計意義的規(guī)模上執(zhí)行SCFS的必要性。通過這種新的自動化SCFS工作流程，可比較數(shù)百個細(xì)胞/條件下直接測量力的群體分布。此外，采樣更多數(shù)量的細(xì)胞內(nèi)群體可提高粘附力分布的分辨率，進(jìn)而可以支持細(xì)胞亞群的數(shù)據(jù)分層或簡單達(dá)到統(tǒng)計意義。在本研究中，我們展示了如何在半天內(nèi)的工作時間內(nèi)，以統(tǒng)計顯著性比較CHO細(xì)胞與HeLa細(xì)胞的粘附力。

FluidFM技術(shù)概覽

FluidFM是一項創(chuàng)新性的技術(shù)，它具有集成力學(xué)反饋的微流體探針（圖3），可非常溫和地自動化操縱單個細(xì)胞。該技術(shù)結(jié)合了原子力顯微鏡和納米流體學(xué)，為單細(xì)胞應(yīng)用等提供了一個通用的液體輸送系統(tǒng)。

圖3. 圖中紅色激光對施加力的提供反饋數(shù)據(jù)。

FluidFM探針具有不同的頂端形狀和尺寸（圖4），解鎖了多種創(chuàng)新研究可能性。

Nanosyringe以其金字塔形的尖端和極為鋒利的頂點設(shè)計而成，能夠溫和地穿透任何類型的細(xì)胞。它可用于將任何種類的可溶性化合物（如DNA、蛋白質(zhì)、藥物等）遞送到細(xì)胞內(nèi)，或者從單個細(xì)胞中提取胞質(zhì)溶膠或核內(nèi)容物，同時保持細(xì)胞的高存活率。

Micropipettes帶有扁平尖端的微量移液管特別適合拾取和放置物體，包括細(xì)胞。其孔徑大小從2微米到8微米不等，特別適合用于拾取哺乳動物細(xì)胞。

Nanopipettes在金字塔形尖端的頂點處設(shè)有一個300納米的孔徑，旨在實現(xiàn)精確的液體分配，從而能夠在亞微米級別繪制圖案，或者精確刺激細(xì)胞培養(yǎng)中的單個細(xì)胞。

圖4. FluidFM探針配備有各種形狀和大小的尖端，每個尖端都解鎖了特殊的研究可能性。

FluidFM OMNIUM是一個高度集成且直觀的系統(tǒng)，具有簡單的制備步驟以及廣泛的自動化和觀察功能。該系統(tǒng)簡單易用，配備了全封閉細(xì)胞培養(yǎng)箱，實現(xiàn)了從簡單制備到廣泛自動化和觀察功能的全面整合。

近期，多功能單細(xì)胞顯微操作技術(shù)- FluidFM，連續(xù)發(fā)表三篇^[11-13]重要論文堪稱重磅之作。這些研究成果不僅展示了FluidFM技術(shù)在多個前沿領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力，還進(jìn)一步推動了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

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