基于微通道梯度离心的单细胞质量密度测量技术

《Scientific Reports》：Single-cell mass-density measurements using microchannel gradient centrifugation

本研究针对单细胞质量密度测量技术存在通量低或操作复杂的问题，开发了一种基于微通道梯度离心（μDGC）的创新方法。研究人员通过微通道填充与离心，快速生成一维质量密度梯度，并利用校准颗粒或示踪分子进行显微读值，成功实现了酵母细胞等单细胞质量密度的高通量、高精度测量。该方法以约3.3 kg m-3的精度每小时测量约16000个细胞，兼具技术简捷、稳健和低成本的优势，有望推动单细胞物性分析的广泛应用。

　　

在生命科学研究领域，细胞的内在物理属性，如其大小、形状和质量密度，对于理解细胞状态、功能和疾病机理至关重要。尤其是质量密度，它与细胞的生物合成活动、代谢状态以及对外界刺激的响应密切相关。然而，长期以来，对单细胞质量密度进行精确测量一直是个不小的挑战。传统的方法要么通量太低，难以满足大规模样本分析的需求；要么设备昂贵、操作复杂，限制了其在常规实验室的普及。因此，开发一种既能保证测量精度，又能实现高通量、且技术门槛较低的测量方法，成为了一个亟待解决的问题。正是在这样的背景下，一组研究人员开展了一项创新性的研究，旨在利用微流控技术与经典离心原理的结合，开辟单细胞质量密度测量新路径。他们的研究成果最终发表在《Scientific Reports》期刊上。

为了攻克这一难题，研究人员巧妙地设计并实施了一套集成的技术方案。该方法的核心流程包含三个关键步骤：微通道填充、离心和显微镜观察。首先，他们利用微流控技术，将两种不同密度的液体精确地填充到特制的微通道中。随后，通过离心过程，这两种液体在微通道内瞬间、精确且可重复地形成一维质量密度梯度。与此同时，待测的细胞或微粒在离心力的作用下发生沉降，最终停留在其自身质量密度与周围梯度介质密度相等的平衡位置。为了将这个位置信息转化为具体的质量密度数值，研究人员引入了两种显微读值策略：一是使用已知密度的校准颗粒作为标尺；二是使用能均匀分布在梯度介质中的荧光示踪分子，通过其荧光强度分布来映射密度梯度。该方法以酵母细胞为模型进行了原理验证。

研究的主要结果如下：

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  测量原理验证：研究成功演示了利用微通道梯度离心（μDGC）进行单细胞质量密度测量的基本原理。通过将酵母细胞置于生成的密度梯度中离心，观察到细胞在梯度中分层，直观证明了该方法区分不同密度细胞群体的能力。
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  测量精度评估：研究对测量系统的精度进行了定量评估。结果表明，该方法测量单细胞质量密度的中位不确定度（median uncertainty）与位置相关，达到了约3.3 kg m^-3的水平。这一精度与当前最优的单细胞测量方法相当。
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  通量分析：研究评估了该方法的测量通量。分析显示，该平台每小时能够测量大约16,000个细胞，实现了高通量分析。
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  技术优势比较：研究将本方法（μDGC）与其他现有的单细胞质量密度测量技术进行了比较。着重指出，μDGC在保持了与最佳方法相当的测量精度的同时，显著提高了测量通量。
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  方法实用性阐述：研究强调了μDGC方法的实用性和可及性。指出该方法在技术层面上直接明了，实验系统稳健可靠，且成本相对低廉，这使得单细胞质量密度测量技术能够更广泛地被生命科学和生物医学研究领域所采用。

综上所述，本研究提出并验证了一种基于微通道梯度离心（μDGC）的新型单细胞质量密度测量技术。该研究得出的核心结论是：μDGC方法能够快速、精确、可重复地生成一维质量密度梯度，并同步完成细胞沉降与密度匹配；通过校准颗粒或示踪分子进行显微读值，可以实现对单细胞质量密度的高通量、高精度测量，其精度（~3.3 kg m^-3）与顶尖方法媲美，而通量（~16,000 细胞/小时）更高。讨论部分进一步强调了此项工作的重要意义：首先，μDGC填补了高精度与高通量单细胞物性测量之间的技术鸿沟，为大规模单细胞分析提供了强有力的工具。其次，该方法设计巧妙但实施简便，系统稳健且成本可控，极大地降低了技术门槛，有望使单细胞质量密度测量从少数专业实验室的专有技术，转变为广大科研人员可及的常规分析手段。这项研究不仅为细胞物理学和单细胞组学提供了新的技术方案，其模块化、低成本的设计理念也为开发其他基于微流控和离心的生物分析平台提供了有价值的参考。