Nature Methods：新型细胞检测系统

　　

——了解细胞如何调控其生长的新工具

生物通报道：来自哈佛大学，麻省理工MIT的研究人员利用一种能以前所未有的准确率来称量细胞的感应器，检测单个细胞生长的速度，从而能帮助科学家们了解细胞是如何调控其生长速度的，以及为什么在肿瘤细胞中，这种调控会失序。这一研究成果公布在Nature Methods杂志上，同期Nature Methods也刊发了由法国Université de Lyon的Gilles Charvin博士发表的评点文章，Charvin博士很形象的将这一技术比喻成称秤（见下图）。

（来自Nature Methods）

在这一技术之前，领导这一研究的Scott R Manalis博士在称量微粒方法方面获得了许多突出成果，比如他曾发明了能够称出单个纳米颗粒重量的方法，一般的医学诊断或环境监测等很多实际应用中能达到的分辨率都没有纳米尺度的机械共鸣器可以达到的测量粒子质量的分辨率——zeptogram，即10-21g级，Manalis博士将流体放在共鸣器内，利用真空包装的共鸣器（要测量的粒子溶液被放在微型流体通道中）就能够称出单个纳米颗粒、单个细菌和蛋白质单层的重量，分辨率达到亚毫微微克（10–15 g）级。

在这一技术的基础上，最新的研究将悬浮微孔道共振（suspended microchannel resonator，SMR，生物通译）技术与皮升级微流控技术结合起来，获得了一种具有高度的时间分辨率，可用来精确检测示踪的个体活细胞，如细菌、酵母和哺乳动物细胞的生长率的新技术，这种技术可以检测从100飞克到100皮克大小单个细胞量的变化，这对于细胞生长率计算来说具有重要的意义，而且能帮助科学家们了解细胞是如何调控其生长速度的，以及为什么在肿瘤细胞中，这种调控会失序。

传统的细胞生长率的计算方法主要是通过细胞分裂周期计算，绝大多数液相培养细胞都有一个指数生长期，在连续培养过程中它可成一个很长的周期。所以跟踪数代细胞可以发现细胞群的生物总量呈指数增长。但是这种方法在单个细胞水平和单代细胞水平上可能就不合适了。虽然一些现代生物技术，比如荧光显微镜技术可以检测单个细胞中特异性的分子进程，但是要确定这些细胞的生长率，以及检测批量细胞中的单个细胞，那么可能这些技术也不实用。

而最新的这项技术能检测从100飞克到100皮克大小单个细胞量的变化，随着时间变化来监测单个细胞量的演变，而且这种测量方法的背景干扰很小，确保单个细胞的生长率可以被精确监测。

Manalis博士认为，这项崭新技术与过去传统方法最大的不同其实是能让细胞维持于液态状态下去进行测量，这将开启一项崭新应用科技领域的视窗。除了测量细胞重量外，这项技术也可以用来测量纳米颗粒或生物分子中的次级单层（sub-monolayers），同时保有六个级数（也就是十的六次方）的精确准确度，这已经远远超过传统的质量计数方法了。一项与其相关的技术是根据细胞质量为设计基础的流式细胞仪（flow cytometry），这个仪器透过细胞质量的不同来将特定的细胞加以计数。

研究人员为了称量分子，将待测分子放在一个由硅制成的极微小平板（slab）或是悬臂（cantilever）的尖端上，然后通过在高真空下，这块极小平板因震动所产生的共振频率来计算出座落在平板上物质的重量（因为频率会随着不同物质的改变而改变，也就是说不同的物质会引发不同的共振频率）。当一个分子落在平板上面时，会发生相当轻微的频率改变，同时通过测量这变动的量值，即可计算出分子的质量。

但是要达到这样的测量标准，必须要在极度高真空条件下操作，以免空气或液体的流动造成震动干扰。然而细胞是不可能在真空下生存的，因此研究人员需要改进这一方法，想出一个减少流体流动而降低干扰的方法。

利用通过硅板包裹样品流体，研究人员终于解决了这一问题，通过这种方法，研究人员再利用微通道将生物样品打到仪器中，并横跨过硅板而不削弱其震动的能力（如下图）。

（来自Nature Methods）

在这一装置中，单个细胞从一个共振仪中蚀刻的小通道中穿过，从而共振频率会发生轻微的改变。通过记录这个变化，研究人员就可以计算细胞的漂浮重量，然后利用一个自动的流量控制系统，同一个细胞重复通过（每个几秒）测量通道，因此记录几分钟或更多的时间内的变化更加准确，这种方法的背景干扰很小，从而确保了单个细胞的生长率的精确检测。

目前研究人员所能达到的最低灵敏度为飞克级（femtogram，即十的负十五次方克），但是研究人员相信未来其灵敏度的极限一定能够再被突破，而且在这研究领域当中的每一个步骤都有可能开启崭新的一页。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Using buoyant mass to measure the growth of single cells

We used a suspended microchannel resonator (SMR) combined with picoliter-scale microfluidic control to measure buoyant mass and determine the 'instantaneous' growth rates of individual cells. The SMR measures mass with femtogram precision, allowing rapid determination of the growth rate in a fraction of a complete cell cycle. We found that for individual cells of Bacillus subtilis, Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae and mouse lymphoblasts, heavier cells grew faster than lighter cells.