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  活體微環(huán)境中細胞不斷受到諸如拉力、靜水壓力和剪切力等物理力的作用。細胞對于外界信號的感知和響應(yīng)是細胞的自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)和應(yīng)答外界環(huán)境機械力的變化的一種重要機械特性。例如，在腫瘤微環(huán)境中，空間結(jié)構(gòu)、張力強度、彈性系數(shù)等發(fā)生變化時，癌細胞會做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)以改變自身的機械特性，一方面通過驅(qū)動并調(diào)整細胞形狀、骨架結(jié)構(gòu)以及粘附親和度，產(chǎn)生特定適應(yīng)性行為，如侵襲、遷移等；另一方面通過激活特定基因程序，改變細胞核中DNA轉(zhuǎn)錄，激活相應(yīng)信號通路，并最終觸發(fā)耐藥性機制。了解和研究細胞力學(xué)性質(zhì)對細胞分離、疾病診斷、免疫狀態(tài)分析和藥物篩選等至關(guān)重要。目前，最常用的測量單細胞機械力學(xué)性能的方法主要分為兩大類：（1）通過操縱光束或懸臂來對細胞施加機械刺激，測量相關(guān)的力曲線，以獲得細胞的機械反饋,包括原子力顯微鏡、光鑷和磁鑷等。（2）采用隨機分布熒光粒子的襯底變形來繪制大型細胞的力學(xué)分布，包括牽引力顯微鏡和微柱陣列檢測傳感器等。然而，復(fù)雜的計算和“1個細胞/試驗”的吞吐量決定了它們在基于大量細胞的臨床分析方面的能力有限。

  近日，北京航空航天大學(xué)常凌乾課題組在《Small》上發(fā)表了題為“High-throughput DNA tensioner platform for interrogating mechanical heterogeneity of single living cell”的研究論文。該工作通過精確設(shè)計陣列化、圖形化的單細胞微孔陣列芯片，保證高通量細胞定向操縱（單次可達10⁶個細胞/芯片），從細胞數(shù)量上達到群體細胞行為研究的要求，滿足統(tǒng)計學(xué)意義。同時，可尋址并精確控制和追溯單細胞，是常規(guī)技術(shù)無法達到的。微孔底部修飾了一種用于熒光成像的DNA張力傳感器，用于細胞機械力的高分辨成像。該DNA張力傳感器可以通過修飾的膽固醇自發(fā)地嵌入細胞膜，在外界環(huán)境的刺激下，細胞機械特性的變化通過DNA張力傳感器誘導(dǎo)發(fā)夾結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致熒光基團和淬滅基團的分離，從而產(chǎn)生熒光信號。該DNA張力傳感器可以通過調(diào)節(jié)發(fā)夾結(jié)構(gòu)的長度與序列對所測的閥值進行調(diào)控，其測量精度可達到pN級。

圖1. 高通量DNA張力傳感器平臺用于研究單細胞的力學(xué)異質(zhì)性的原理圖

  研究結(jié)果表明耐藥性腫瘤細胞與非耐藥性腫瘤細胞之間存在明顯的機械異質(zhì)性。相比非耐藥性腫瘤細胞，對于化療藥物紫杉醇具有一定抗性的耐藥性腫瘤細胞的硬度降低，細胞機械力引起的熒光信號升高。為了進一步分析導(dǎo)致單細胞機械異質(zhì)性的原因，他們通過單細胞RNA測序技術(shù)證實了兩個細胞群之間潛在的遺傳異質(zhì)性，結(jié)果顯示耐藥性細胞中與細胞骨架重塑有關(guān)的兩種基因VEGFA和MINK1的表達量普遍增加。隨后，他們通過將siVEGFA和siMINK1轉(zhuǎn)染到耐藥性腫瘤細胞中，下調(diào)了這兩個基因的表達水平。最終，該平臺檢測結(jié)果顯示，伴隨著相關(guān)基因表達量的下調(diào)，耐藥性腫瘤細胞的熒光信號明顯下降，證實了VEGFA和MINK1與耐藥性細胞機械力增加的機制呈正相關(guān)，提示VEGFA和MINK1可能參與了腫瘤細胞形成耐藥性過程中的機械調(diào)控。

圖2.耐藥性和非耐藥性腫瘤細胞的機械力的成像與分析

  為了評估該平臺的臨床應(yīng)用價值，他們收集了10個肺癌組織的原發(fā)腫瘤細胞樣本和5個肺癌胸腔積液中腫瘤細胞樣本�；谀[瘤細胞生物標(biāo)志物上皮細胞黏附分子免疫熒光染色對腫瘤細胞進行篩選。隨后，使用該平臺對篩選完成的腫瘤細胞進行了機械特性的檢測。通過比較每個單細胞的熒光信號，統(tǒng)計結(jié)果顯示，肺癌組織原發(fā)細胞的機械力明顯低于胸腔積液腫瘤細胞，這與其他報道的轉(zhuǎn)移性腫瘤細胞比非轉(zhuǎn)移性腫瘤細胞具有更高的機械力的結(jié)果一致。另外，他們使用qPCR對10個肺癌組織樣本和5個胸腔積液樣本VEGFA和MINK1的表達量進行了檢測，與非轉(zhuǎn)移性腫瘤細胞相比，轉(zhuǎn)移性肺癌細胞中VEGFA和MINK1表達量相對較高。這一結(jié)果證實了該平臺可以根據(jù)力學(xué)異質(zhì)性有效地區(qū)分非轉(zhuǎn)移性腫瘤細胞和轉(zhuǎn)移性腫瘤細胞，從細胞機械特性的角度支持了該平臺在臨床研究腫瘤轉(zhuǎn)移方面的潛力。

圖3. 臨床腫瘤細胞樣本中發(fā)生轉(zhuǎn)移的腫瘤細胞與未轉(zhuǎn)移腫瘤細胞的機械力特性

  該研究第一作者是北航博士生杭欣欣，碩士生何詩琦和董再再博士。第一單位為北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心和北航生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院。中國科學(xué)院北京基因組所蔣嵐研究員為文章的共同通訊作者，在識別VEGFA和MINK1兩個關(guān)鍵基因方面提供了重要幫助；該研究病人樣本由北京大學(xué)腫瘤醫(yī)院提供；文章的其他主要共同作者包括，清華大學(xué)任天令教授，北京航空航天大學(xué)樊瑜波教授，中國科學(xué)院生物物理研究所婁繼忠研究員。

  文章鏈接： https://doi.org/10.1002/smll.202106196