非標(biāo)記的、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)細(xì)胞分析檢測(cè)系統(tǒng) |
| 羅氏xCELLigence: 非標(biāo)記的、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)細(xì)胞分析檢測(cè)技術(shù) 目前，大部分細(xì)胞檢測(cè)方法采用的仍是傳統(tǒng)的終點(diǎn)法----僅僅給實(shí)驗(yàn)定格了一個(gè)最終結(jié)果，而且經(jīng)常需要標(biāo)記和破壞細(xì)胞。這就是當(dāng)前細(xì)胞分析方法的限制，因?yàn)榧?xì)胞是活體，其生物學(xué)和細(xì)胞進(jìn)程是動(dòng)態(tài)而非靜態(tài)的。因此，為了更充分的了解和測(cè)量生物學(xué)和細(xì)胞進(jìn)程，應(yīng)當(dāng)使用一種非侵入性的系統(tǒng)，來(lái)記錄細(xì)胞應(yīng)答某些刺激(如藥物處理或某種生長(zhǎng)因子刺激)時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)變化。 作為無(wú)標(biāo)記生物檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)創(chuàng)新，羅氏應(yīng)用科學(xué)部的xCELLigence系統(tǒng)提供這樣一種無(wú)需標(biāo)記、同時(shí)又可對(duì)細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的新型細(xì)胞分析平臺(tái)。細(xì)胞接種在96微孔E-plate中，在每個(gè)孔的底部有嵌入的微電子感應(yīng)器，微電極阻抗主要由點(diǎn)及周邊的離子環(huán)境決定，當(dāng)電場(chǎng)加在上面的時(shí)候可以測(cè)量到一個(gè)基線阻抗，細(xì)胞的有無(wú)以及貼壁程度的改變都會(huì)影響電極傳感器表面電子和離子的通過(guò)。因此，細(xì)胞在檢測(cè)板上的貼壁、黏附、生長(zhǎng)等狀況與傳感器所測(cè)量得到的阻抗相對(duì)應(yīng)。根據(jù)阻抗得到的指數(shù)，反映了細(xì)胞增殖、存活、凋亡、形態(tài)變化等細(xì)胞生物學(xué)狀態(tài)。 （圖1） 圖 1: E-plate 底部的交叉微電極工作原理示意圖。貼壁生長(zhǎng)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞與微電級(jí)間的相互作用產(chǎn)生的阻抗與孔內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量、細(xì)胞形態(tài)以及細(xì)胞黏附質(zhì)量相關(guān)；阻抗的大小用細(xì)胞指數(shù)（CI）進(jìn)行衡量。 傳感器阻抗技術(shù)在細(xì)胞分析中的應(yīng)用具有其*的優(yōu)勢(shì)。個(gè)也是最重要的，細(xì)胞傳感器阻抗為整個(gè)實(shí)驗(yàn)全程包括細(xì)胞粘附、增殖和融合提供了全程無(wú)損傷性的細(xì)胞監(jiān)控。實(shí)時(shí)的監(jiān)控為同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中和不同實(shí)驗(yàn)間的細(xì)胞提供了出色的質(zhì)量控制。另外，因?yàn)橛辛藢?shí)時(shí)、連續(xù)顯示的數(shù)據(jù)，就可以更自信地操作和處理細(xì)胞，而不是假定細(xì)胞處于合適的處理階段。有了阻抗讀數(shù)以及實(shí)時(shí)獲取和顯示的數(shù)據(jù)的特性，每一步處理結(jié)果都可以通過(guò)機(jī)理來(lái)預(yù)測(cè)。最后，因?yàn)樽x數(shù)是非損傷性的，傳統(tǒng)的終點(diǎn)分析仍然可以繼續(xù)結(jié)合阻抗讀數(shù)來(lái)決定進(jìn)行傳統(tǒng)終點(diǎn)分析的時(shí)間點(diǎn)。 基于xCELLigence的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)無(wú)論是在藥物開發(fā)研究還是基礎(chǔ)生命科學(xué)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域：
為了展示xCELLigence系統(tǒng)在細(xì)胞分析方面的功能，以下就其幾個(gè)方面的突出應(yīng)用做簡(jiǎn)要介紹。 細(xì)胞增殖和毒性的動(dòng)態(tài)監(jiān)控 利用多種癌癥細(xì)胞系模型進(jìn)行的細(xì)胞增殖分析是評(píng)估不同抗癌化合物的效能的基礎(chǔ)分析方法之一。xCELLigence系統(tǒng)可用來(lái)定量和動(dòng)態(tài)地檢測(cè)細(xì)胞增殖和細(xì)胞毒性。每種細(xì)胞都有*的增殖曲線，增殖曲線取決于接種密度。這個(gè)*的生長(zhǎng)曲線可作為細(xì)胞系質(zhì)量控制的測(cè)量，來(lái)確保同一實(shí)驗(yàn)和不同實(shí)驗(yàn)間的一致性（圖2）。 圖 2: NIH3T3 和 HT1080細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)增殖曲線：a. 細(xì)胞黏附和延展階段 b. 每個(gè)細(xì)胞株*的停滯階段 c. 指數(shù)生長(zhǎng)期 d.融合階段 受體活性的功能監(jiān)測(cè) G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是藥物研發(fā)的重要靶點(diǎn)，市場(chǎng)上大約50%的藥物都是針對(duì)GPCR的。已知GPCR會(huì)調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架，因此可以利用這個(gè)信息來(lái)作為GPCR活性的功能和生物相關(guān)的參照。如圖3a所示，表達(dá)人H1組胺受體的CHO-K1細(xì)胞接種在E微孔板中，并用組胺刺激。組胺誘導(dǎo)產(chǎn)生了一個(gè)與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架重排相關(guān)的瞬時(shí)的細(xì)胞信號(hào)（圖3b）。對(duì)組胺濃度取對(duì)數(shù)與細(xì)胞反應(yīng)做圖，就產(chǎn)生了一個(gè)EC50值的劑量應(yīng)答曲線（圖3c）。xCELLigence系統(tǒng)對(duì)于GPCR分析的貢獻(xiàn)有幾部分：首先，因?yàn)樽x數(shù)是非損傷性的，細(xì)胞可以在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行刺激評(píng)估脫敏作用和其他受體類型的干擾。第二，除了偶聯(lián)Gq亞家族G蛋白的組胺受體，表達(dá)其他偶聯(lián)Gs和Gi受體的細(xì)胞也可以用xCELLigence系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)。以前進(jìn)行不同信號(hào)通路的GPCR分析需要幾個(gè)不同的儀器。第三也是最重要的，表達(dá)內(nèi)源GPCR的細(xì)胞包括原代細(xì)胞也可以用xCELLigence系統(tǒng)來(lái)分析，無(wú)需過(guò)表達(dá)外源GPCR或改造細(xì)胞表達(dá)多種GPCR。這樣就可以真實(shí)評(píng)估生理?xiàng)l件適當(dāng)?shù)募?xì)胞類型的受體。除了GPCR，其他重要藥物靶點(diǎn)的受體類型，比如激酶受體，也可以通過(guò)xCELLigence系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行細(xì)胞功能的分析。 圖 3: GPCR活化的功能檢測(cè)。(a) 表達(dá)組蛋白H1受體的CHO-K1細(xì)胞接種到E-Plates上并持續(xù)觀察。在所示的時(shí)間點(diǎn)加入100 nM組胺，使用xCELLigence監(jiān)控細(xì)胞動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。(b) 表達(dá)組蛋白H1受體的CHO-K1接種到16孔板上，與(a)同樣的時(shí)間點(diǎn)加入100nM組胺。細(xì)胞固定15分鐘后，使用FITC-Phalloidin染色肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架，用熒光顯微鏡拍照。(c) xCELLigence檢測(cè)到的組胺劑量與響應(yīng)相關(guān)曲線。 細(xì)胞粘附與伸展 細(xì)胞粘附是多個(gè)生理學(xué)和病理學(xué)進(jìn)程的重要組成部分，例如傷口愈合、炎癥、血管生成和癌癥。細(xì)胞與不同生物表面的相互作用以及粘附是一個(gè)動(dòng)態(tài)的綜合的過(guò)程，需要特殊細(xì)胞表面受體、結(jié)構(gòu)蛋白、信號(hào)蛋白和細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞骨架的參與。為了展示xCELLigence系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)細(xì)胞粘附上的作用，E-plate孔中包被了濃度遞增的胞外基質(zhì)蛋白，纖連蛋白。另一些孔中包被了牛血清白蛋白（BSA）作為對(duì)照。將經(jīng)過(guò)血清饑餓處理和溫和處理的COS-7細(xì)胞加入這些包被過(guò)的孔中，用xCELLigence系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)細(xì)胞粘附和細(xì)胞伸展的過(guò)程（圖 4）。濃度遞增的纖連蛋白使細(xì)胞指數(shù)增加，而BSA則不支持細(xì)胞的粘附與伸展。因此，xCELLigence系統(tǒng)可以用來(lái)評(píng)估細(xì)胞骨架藥物、酶和信號(hào)蛋白抑制劑、生理上干擾或阻礙細(xì)胞粘附與伸展或干擾下游信號(hào)通路的藥劑的功效。 圖 4: 在嵌有微電級(jí)的E-plate上分別涂布0μg/ml到20 μg/ml濃度逐級(jí)升高的fibronectin，加入分離的血清饑餓處理NIH3T3，細(xì)胞的黏附及延展過(guò)程被xCELLigence系統(tǒng)記錄。 以上一些關(guān)鍵的重要的觀察數(shù)據(jù)的提供，展示了xCELLigence系統(tǒng)在定量的、非入侵性的、實(shí)時(shí)細(xì)胞分析上的作用。非標(biāo)記技術(shù)、非損傷性的讀數(shù)以及動(dòng)力學(xué)的結(jié)合地獲得高信息量和高內(nèi)涵的數(shù)據(jù)，讓使用者們對(duì)他們的分析以及分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量做出很好的判斷。xCELLigence系統(tǒng)提供的時(shí)間分辨可以作為一個(gè)重要的工具來(lái)更好的完善分子實(shí)驗(yàn)譬如基因表達(dá)圖譜，我們期待這些技術(shù)在未來(lái)的整合。 | ||||||||||||||||||||
