技术快速测量细胞密度，反映健康和发育状态

在大规模追踪细胞物理状态的这些微小变化是困难的，尤其是在单细胞分辨率下，但麻省理工学院的一个研究团队现在找到了一种快速准确测量细胞密度的方法——每小时可以测量多达30,000个细胞。

研究人员还展示了密度变化可以用于作出有价值的预测，包括免疫细胞（如T细胞）是否已激活以杀死肿瘤，或肿瘤细胞是否对特定药物敏感。

“这些预测都是基于观察细胞物理特性的非常小的变化，这可以告诉你它们将如何反应，”斯科特·马纳利斯（Scott Manalis）说道，他是生物工程和机械工程系的大卫·H·科赫工程学教授，也是科赫综合癌症研究所的成员。

马纳利斯是这项新研究的资深作者，研究今天发表在《自然生物医学工程》上。论文的首席作者是麻省理工学院的研究科学家韦达（理查德）吴。

测量密度

当细胞进入新状态时，它们的分子成分，包括脂质、蛋白质和核酸，可能变得更加拥挤。测量细胞的密度提供了这种拥挤的间接视图。

本研究中报告的新密度测量技术建立在马纳利斯实验室过去20年来在制作细胞和微小颗粒测量技术方面的工作基础上。2007年，他的实验室开发了一种称为悬浮微通道谐振器（SMR）的微流控设备，该设备包含一个微通道，通过一个在特定频率下振动的小硅悬臂。当细胞通过通道时，振动的频率会略微变化，而这种变化的幅度可以用于计算细胞的质量。

2011年，研究人员对该技术进行了调整，以测量细胞的密度。为此，细胞被发送通过设备两次，悬浮在两种不同密度的液体中。细胞的浮力质量（其在液体中漂浮时的质量）取决于其绝对质量和体积，因此通过测量细胞的两种不同浮力质量，可以计算出其质量、体积和密度。

这种技术效果很好，但交换液体和使细胞通过每种液体的过程耗时，因此每次只能测量几百个细胞。

为了创建一个更快速、更简化的系统，研究人员将他们的SMR设备与荧光显微镜结合起来，可以测量细胞体积。显微镜位于谐振器的入口处，细胞在无法被细胞吸收的荧光染料中漂浮并通过设备。当细胞经过显微镜时，荧光信号的下降可以用来确定细胞的体积。

在体积测量完成后，细胞流入谐振器，进行质量测量。这个快速计算密度的过程可以在一小时内测量最多30,000个细胞。

“我们不是试图让细胞至少通过悬臂两次来获得细胞密度，而是试图创建一种简化的测量方法，让细胞只需通过悬臂一次，”吴说道。“从细胞的质量和体积中，我们可以推导出其密度，而不影响通量或精度。”

评估T细胞

研究人员利用他们的新技术追踪T细胞在信号分子激活后的密度变化。

研究人员发现，随着T细胞从静止状态转变为活跃状态，它们获得了新分子和水分。从它们的激活前状态到激活的第一天，细胞的密度从每毫升1.08克下降至1.06克。这意味着细胞变得不那么拥挤，因为它们获得水分的速度快于获得其他分子的速度。

“这表明，细胞密度很可能反映了细胞水分含量的增加，因为细胞从静止的非增殖状态转变为高速生长期，”吴说道。“这些数据指向一个观点，即细胞密度是一个有趣的生物标志物，在T细胞激活过程中发生变化，可能与T细胞增殖的能力有关。”

由马纳利斯共同创办的临床阶段公司Travera正在利用SMR质量测量来预测个别癌症患者的T细胞是否会对刺激强烈抗肿瘤免疫反应的药物产生反应。该公司还开始使用密度测量技术，初步研究发现，结合质量和密度测量的结果提供了比单独使用任何一种更准确的预测。

“质量和密度都是揭示免疫细胞整体能力的某种特征，”马纳利斯说道。

进行预测

这种方法的另一个潜在应用是预测肿瘤细胞对不同类型癌症药物的反应。在之前的研究中，马纳利斯展示了治疗后跟踪细胞质量变化可以预测肿瘤细胞是否经历了药物诱导的细胞凋亡。在新的研究中，他发现密度也可以揭示这些反应。

在那些实验中，研究人员用两种不同的药物——一种肿瘤细胞敏感的药物和一种它们耐药的药物——对胰腺癌细胞进行了处理。他们发现，治疗后密度变化准确反映了细胞对治疗的已知反应。

“我们捕捉到细胞的一些信息，在它们从肿瘤中取出后，头几天内非常具有预测性，”吴说道。“细胞密度是一个快速的生物标志物，可以及时预测体内的药物反应。”

马纳利斯的实验室现在正在利用细胞质量和密度的测量作为评估用于合成复杂蛋白质（如治疗性抗体）细胞适应性的方式。

“当细胞生产这些蛋白质时，我们可以通过这些细胞适应性和代谢状态的标志来学习，试图对这些细胞生产这些蛋白质的能力做出预测，并希望在未来为设计和控制策略提供指导，以进一步提高这些复杂蛋白质的产量，”吴说道。

这项研究得到了保罗·G·艾伦前沿集团、弗吉尼亚州和丹尼尔·K·路德维希癌症研究基金、麻省理工学院精准癌症医学中心、抗癌协会融合计划、百时美施贵宝和国家癌症研究所的科赫研究所支持（核心）资助的支持。