高等功能化界面传感技术用于动态细胞粘附与细胞力学指纹曲线的捕获

The study and measurements of cell adhesion and cell mechanics are very important to many branches of life sciences and clinical medicine. Cell adhesion and continuously changing cell mechanical properties reflect the dynamic activity, behaviors and functions of living cells. The development of technology and methods capable of continuous and dynamic measurements of the integrated mechanical properties of living cells would provide an unprecedented opportunity for the study of cellular physiology and pathology. Currently, there are few techniques available for the study of cell adhesion and cell mechanics, no single instrument can measure cell viscoelasticity and traction force simultaneously. This proposal would develop the advanced and functionalized interfacial sensor techniques to capture the adhesion and mechanical signatures of human endothelial cells. The main aims include: (1) modify the sensor surface with RGD peptide and fibronetin specifically interacting with the mechanical sensing element, integrin under an inert environment; (2) combine the advanced piezoelectric technique with electrochemical impedance to quantitatively measure cell traction or contractile force and then extract the viscoelastic parameters;(3) combine the sensor techniques with live cell imaging and fluorescent labeled proteins as well as drugs targeting the contractile machines and cytoskeleton of cells to visualize cell morphology and confirm the specific cellular behaviors linked to the sensor signals; (4) apply for the interactions between endothelial cells and T-cells; (5) monitor cell mechanical dynamics during cell de-adhesions.

细胞粘附和细胞力学的研究与测定对生命科学的许多学科分支及临床医学意义重大。细胞粘附与不断变化的细胞力学性能反映出细胞的动态活性、行为与功能。开发连续动态监测细胞综合力学性能的技术与方法将对细胞生理和病理的研究提供前所未有的机遇。现少有技术能同时研究细胞粘附与细胞力性能，没有一种仪器能同时检测细胞的粘弹性和细胞牵引力。本项目用高等功能化界面传感技术，来捕获人血管内皮细胞粘附与细胞力学指纹曲线。主要目标有：1)在传感器表面修饰与细胞力敏元件整合素选择反应的RGD多肽和纤维连接蛋白同时避免非特性吸附; 2)高等压电技术与电化学阻抗联用以定量测定细胞牵引或收缩力进而求取细胞粘弹性参数; 3)传感器技术与活细胞成像系统联用辅以萤光标记蛋白和影响细胞收缩及细胞骨架药物的测试以实时观察细胞形态和确证传感器信号所对应的细胞过程; 4)用于T-淋巴细胞与内皮细胞相互作用研究; 5)细胞脱附过程力动力学变化。

在细胞层次上分析细胞的整体和综合物理性能反映了细胞所发生的许多可能情况，从而有效地实现活细胞的复杂性能表征。其中细胞力学性能的检测为最重要而有效的方法，可提供有关细胞结构与功能的重要信息。现在动物细胞的力学研究已进入主流科学。但还没有一种仪器能做到同时检测细胞的粘弹性和牵引力，特别是以无损、连续、动态形式。本研究基于高等压电谐振传感技术，以人脐静脉内皮细胞为对象，取得了如下成果。1)建立了细胞牵引力的无损、连续、定量测定新方法。与基于形变测定原理不同，本研究基于直接细胞力敏感，因而无需光学显微镜拍照亦无需用到荧光标记微珠。所建立方法适用于不同细胞数目或不同细胞-细胞作用下细胞群总的牵引力大小与方向的定量测定。2) 通过在石英晶体金电极上经分子自组装与化学耦合方法修饰了不同表面密度细胞黏附分子RGD与fibronectin及防止非特异性细胞黏附的PEG基团，首次实现了细胞黏附、细胞牵引力与细胞粘弹性参数的同时、无损、连续、定量测定。结果表明在最佳RGD与fibronectin浓度下，细胞黏附最强、细胞牵引力最大、细胞贮存模量与损耗模量亦最大。3) 通过测试影响细胞牵引力与粘弹性的药物blebbistatin等验证了所建立的压电细胞力学测定新方法。并建立了可用于活细胞研究的压电/电化学阻抗、压电/光学联用方法。4) 所建立的高等压电谐振传感方法被用于内毒素LPS损伤内皮细胞及随后受损内皮细胞与THP-1单核细胞的相互作用研究，实时监测了内皮细胞损伤及其与THP-1细胞相互作用过程伴随的细胞牵引力与粘弹性变化规律，结果表明内皮细胞在LPS作用下变软、与THP-1细胞相互作用后进一步变软、牵引力增加。此外亦实时跟踪和比较了胰酶、电化学脱附细胞过程的细胞力动力学，表明细胞脱附过程细胞变软、牵引力下降。所获结果与已有文献其它方法报道的结果一致，进一步证明所建立方法的可靠性。本研究成果适用于所有贴壁动物细胞力学性能的测定，可望应用于心血管疾病、炎症等与人体健康密切相关的细胞及其与药物相互作用的测定与评估等。