用悬浮微通道谐振器揭开细胞的秘密
当物体变得太小而无法用称重秤测量时，研究人员需要采用巧妙的新技术来精确探测它们的物理特性。它们这样做的能力已经被固定在一端的微小振动悬臂所改变。当一个微观物体被放置在悬臂上时，悬臂的振动频率会随着物体质量的增加而减小，这使得研究人员可以量化物体的质量。几十年来，这种装置的改进使许多领域的研究人员能够高精度地探测越来越小的物体。通常，这种方法要求测量在空气或真空中进行，以获得高精度。然而，活细胞需要浸泡在溶液中。在过去的15年里，麻省理工学院Scott Manalis的实验室开发了悬浮微通道谐振器(SMRs)来克服这一挑战。
在这个创新的设置中，细胞不是简单地放置在悬臂的顶部;相反，它们通过雕刻在悬臂上的充满流体的微通道流动。然后，悬臂梁的振动频率会随着细胞的浮力质量而变化，就像潜水员从跳板上跳下来时，跳板的振动发生变化一样。也就是说，跳水运动员一跳下去，跳板就会振动得很快，因为跳板的质量大大减少了。值得注意的是，细胞必须被流体包围，通过在悬臂内的微通道中流动的细胞，悬臂外的空间可以成为真空室。与悬臂在流体中振动抑制振动的情况相比，这使得测量灵敏度提高了百万倍。振动的衰减是很容易想象的:只要想象一块潜水板试图在水下振动。此外，由于细胞以这种方式悬浮在液体中更不容易受到损害，因此Manalis实验室的研究人员可以在不抑制细胞生长或其他正常行为的情况下，对细胞的物理特性进行精确测量。米耶蒂宁博士解释说:“能够测量一个物体的大小是我们对自然物理理解的基本要求。”这种基于悬臂梁的细胞测量系统的测量能力通过最近的几项发展得到了进一步的改进，其中许多是由马纳里斯实验室的前博士生Joon Ho Kang博士开创的。
将SMRs与显微镜相结合，研究细胞周期和代谢
这些有用的新进展中的第一个是能够直接观察维持生命的化学反应，即所谓的“代谢”过程;以及细胞分裂(有丝分裂)，在显微镜下。为了证明这种显微镜耦合的优势，米耶蒂宁博士和同事用发光分子或荧光分子制成的染料对细胞的特定成分进行染色。“将SMR与显微镜相结合，可以将各种荧光测量结果与细胞质量测量结果相结合，这些结果可以报告细胞的代谢状态以及细胞周期状态。”米耶蒂宁博士描述道。通过测量光强度的变化，研究人员可以分析细胞生长是如何与细胞分裂和新陈代谢相关联的。
能够测量一个物体的大小是物理理解自然的基本要求。
测量密度，就像阿基米德
smr的第二个新优点来自于悬臂微通道中使用的流体本身是可以变化的。研究人员使用两种不同密度的流体填充微通道，使他们能够比较单个细胞的两种浮力质量，从而精确计算它们的体积、质量和密度。马纳里斯博士解释说:“这类似于阿基米德在空气和水中测量国王的王冠，以确定王冠的密度的故事。”令人惊讶的是，细胞间密度的变化几乎是它们质量和体积变化的100倍。在健康细胞中，密度变化仅在细胞分裂的早期阶段观察到，揭示了一种现在称为有丝分裂细胞肿胀的现象，在这种情况下，细胞会短暂地增加体积，以支持分裂成两个子细胞。“作为一名细胞生物学家，我发现Manalis实验室的这项工作非常出色。这样的密度变化是很难用其他技术量化的。
监测探测细胞硬度的声波
最后，SMR还允许Kang、Miettinen和Manalis博士检测细胞分裂过程中力学特性的变化。为了做到这一点，他们利用了悬臂振动时在悬臂内部形成的声波。他们发现，通过测量这些波是如何通过悬臂梁从细胞反射回来的，他们可以探测细胞的物理刚度。米耶蒂宁博士说:“就像房间里的回声会被柔软的织物消声一样，这种声音信号依赖于细胞的硬度。”
通过测量这些声波在接受变化时散射细胞周围的这些声波的变化，研究人员提供了一种研究，用于研究细胞在生长和分裂时如何保持其机械刚度的方法。在更大的画面中，SMR技术的这些创新特征使Miettinen博士和他的同事们在细胞划分期间发现细胞生长和新陈代谢的新特征。
发现有丝分裂期间的质量变化
一个细胞一生中的大部分时间都在生长和复制它的内容，因此它最终可能分裂成两个子细胞。在细胞分裂期间，在细胞完全分裂之前，需要经历一系列复杂的阶段。总的来说，这些阶段被称为“有丝分裂阶段”。“通过在显微镜下观察细胞，研究人员已经区分了有丝分裂的阶段，并描述了控制这些阶段的许多分子调节器。这导致了针对特定有丝分裂阶段所需过程的癌症化疗的发展。然而，由于没有精确和非侵入性的方法来探测分裂细胞的物理特性，过去的生物学家只能推测细胞特性，如质量，在有丝分裂阶段如何变化。到目前为止，研究人员假设在有丝分裂期间没有质量变化，即生长，在有丝分裂期间，质量积累应该被细胞分裂所需的细胞重组所抑制。然而，正如米耶蒂宁博士和他的同事现在发现的那样，这个假设是错误的。
使用SMR，我们已经揭示了健康和癌变白细胞在细胞周期中详细的生长动态。
“使用SMR，我们已经揭示了健康和癌变白细胞在细胞周期中详细的生长动态，”他说。“奇怪的是，我们发现有丝分裂中的生长是非常动态的。当细胞进入有丝分裂时，它们的质量积累非常快。然而，在有丝分裂的中期，当细胞迅速分离成两个子细胞时，质量积累停止，许多细胞甚至失去质量。然后，在有丝分裂结束时，物质积累迅速恢复。”
显然，这种模式远比生物学家之前认为的要复杂。米耶蒂宁博士及其同事认为，我们对细胞周期中大量变化的了解有限，限制了某些医学治疗的发展，包括癌症化疗。通过确定这些巨大变化背后的详细机制，他们现在已经开始收集细胞生长调节的关键新见解，使他们对这些治疗提出新的改进建议。
“我们目前正在研究快速停止物质积累背后的详细机制，”米耶蒂宁博士继续说道。“我们还发现了一种叫做CDK1的有丝分裂调节剂，它是有丝分裂中促进生长的分子成分。随着我们对生长调节的分子水平的更多了解，这一知识可以用来改善癌症治疗。”SMR在细胞生物学中有许多潜在的应用，研究人员预测该技术在探索细胞物理特性方面有一个光明的前景。
白色标尺= 10μm。
未来发现的潜力
通过Manalis实验室所有成员的持续工作，smr的能力和精度的进一步改进现在正在顺利进行。有了这些新进展，像米耶蒂宁博士这样的生物学家可以发现更多有关细胞生长和新陈代谢的分子机制，以及它们如何随着细胞周期的进行而变化。
重要的是，这些见解还可能在病人对不同药物的敏感性测试方面产生新的进展;提高药物和癌症治疗的准确性。正如米耶蒂宁博士得出的结论:“在新生物问题上的技术创新和技术实施可能会在未来几年影响单细胞研究和整个细胞生物学领域。”
个人反应
这种创新技术的潜力是巨大的。您未来研究的重点是什么?
Miettinen博士：我们将利用该技术研究细胞周期中生长和代谢的相互依赖性。众所周知，生长过程消耗了细胞的大部分能量，但尚不清楚细胞产生能量的能力是否实际上限制了生长。从长远来看，我设想建立一个“细胞周期的生物能量图”，详细说明在细胞生命周期的每个阶段，生长和能量代谢如何变化。