探測人體細胞產生的機械力裝置

背景：

細胞具有產生力的能力，細胞使用物理力量來執行重要的功能——當這種力量被破壞時，在執行重要功能時縮短和再延長，疾病就會隨之而來。傳統上，測量這樣的力是困難的，但是以下兩種新的方法現在可以同時測量成千上萬個細胞的細胞產生的力。

測試方案：

一、細胞收縮力高通量檢測多孔板-24、96、384孔板：

圖1：原理圖：

1.1）細胞收縮力測試24孔板

1.2）細胞收縮力測試384孔板

1.3）細胞收縮力測試384孔板

該可高通量檢測細胞收縮力的多孔板是軟膜底嵌有熒光微圖案的*微孔板，上面有100,000多個均勻分布的X或+形的具有粘性蛋白質微圖案，細胞沉降并附著在其上，嵌入板中的X具有彈性，因此每當細胞收縮時它們就會收縮。 X帶有分子標記，可以發出熒光，從而可以成像和量化縮小的形狀。

可以成像和定量，因此研究人員可以將X或十字架的變形與單個細胞或成千上萬個細胞的一定量的力相關聯。該技術還為研究人員提供了查看單個細胞鈣反應以及它們與細胞強度之間的關系的能力。

該技術也可以用于藥物發現。研究人員可以快速，輕松地測試不同的治療分子，以了解它們如何影響細胞力以及是否可以糾正任何潛在的力問題。

在具有可控剛度的彈性薄膜中嵌入用戶設計的粘合劑和熒光微圖案，形成非常密集但均勻的陣列(> 120微米/每平方毫米)。100000個患者來源的單細胞(地從疾病起源的人體組織中獲得)獨立地定位并粘附在微圖案上(每個微圖案一個細胞)，它們對該微圖案施加牽引力并明顯改變其形狀，從而能夠在*的吞吐量下對細胞收縮性進行直觀的基于圖像的評估。

1)熒光彈性可收縮表面的微圖案化
—在具有可控剛度的彈性薄膜中嵌入用戶設計的粘合劑和熒光微圖案，形成非常密集但均勻的陣列(> 120微米/每平方毫米)。100000個患者來源的單細胞(地從疾病起源的人體組織中獲得)獨立地定位并粘附在微圖案上(每個微圖案一個細胞)，它們對該微圖案施加牽引力并明顯改變其形狀，從而能夠在*的吞吐量下對細胞收縮性進行直觀的基于圖像的評估。

2)基于圖像的受控單細胞收縮性的動力學可視化
—例如，384孔板內的每個附著細胞的微圖案在延長的時間內以精細的時間分辨率被獨立監控，以直接觀察收縮行為的全部范圍，從緊張性收縮到誘導性收縮或松弛，以及任一效應的作用窗口。選擇“x"形微圖案以小化細胞-基底接觸面積，同時大化細胞擴散面積，從而在不同位置產生放大和集中的力。由于每個微圖案都與其他微圖案機械分離，粘附的細胞不會將應變傳遞給相鄰的微圖案，從而確保對群體中每個單個細胞的收縮力進行可靠的評估。

3)單細胞收縮性的自動化和直觀的圖像分析
—基于該方法的檢測產生直觀、明確的收縮信號——提供直接的圖像分析，以從成像群體中的每個單細胞獲得定量和可靠的數據。

可以同時獲取1000多個均勻圖案的單細胞的強大的收縮性數據，并與96-和384孔板格式無縫地集成，以促進大規模的藥物篩選

二、細胞牽引力顯微鏡及微柱陣列介紹

圖4：細胞牽引力顯微鏡

圖5：細胞微柱陣列，可定制剛度、大小、形狀和間距。

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細胞力產生和力傳遞綜合測量分析系統

1、背景和解決方案：

       在生理和病理條件下，細胞本身產生的或細胞外基質 (ECM) 通過粘著斑 (FA) 和粘附連接 (AJ) 傳遞的機械力已知在調節各種細胞行為中發揮重要作用。

細胞胞力的產生和力的傳遞：

對于許多生物過程至關重要，量化通過基于E-鈣粘蛋白的粘附連接施加的細胞-細胞和細胞內力，將在生物學研究領域闡明與機械力響應相關的細胞功能方面發揮基礎性作用，

該系統為理解生物力學力在單個細胞、多細胞以及細胞-細胞/細胞-ECM 界面上的作用的提供了新方法，將為革新再生醫學、疾病建模和藥物發現的突破性技術打開大門，

闡明了細胞遷移、增殖、分化、重塑和機械感知其微環境的機制的許多方面。

2、該系統綜述：

該系統支持基于微柱陣列法、FLECS熒光彈性基底微圖案法、集成熒光微珠嵌入聚丙烯酰胺凝膠法、PDMS合規的薄硅膜法，集優棄劣進行力生成和應力傳遞分析，可以2D細 胞，也可以3D細胞嵌入水凝膠中，并結合時間依賴性 (4D)的細胞內源力產生與力傳遞量化分析實驗。可用于單個細胞、多細胞之間、細胞集落和融合細胞層（cell sheet）中的力生成和應力傳遞分析，為理解生物力在單個細胞、細胞集落、細胞-細胞/細胞-ECM界面上的作用提供了新方法，將為革新再生醫學、疾病建模和藥物發現的突破性技術打 開大門，闡明了細胞遷移、增殖、分化、重塑和機械感知其微環境的機制的許多方面，對于深刻理解許多生物過程至關重要。

該系統解決了從具有已知彈性的粘性基底測量的細胞力引起的變形重建細胞基質牽引力和細胞間和細胞內應力的逆問題。除了應力和力生成的標準測量之外，

還可以進行包括線性張力測量（一種專門用于細胞邊界的力傳遞測量），允許用戶設置所必要的分析參數，選擇感興趣的區域，檢查輸入參數和中間結果，

并計算描述力、應力及其分布的各種參數，允許非用戶對此類實驗進行全面評估，可讓您快速分析可視化大型數據集。

可選配時差顯微鏡活細胞工作站，為顯微鏡提供類似培養箱的氣體溫度濕度控制；

可選的共聚焦超高分辨率TIRF顯微鏡

2.2、測試方法：

• 2.2.1、細胞微柱陣列：
  
  細胞主要黏附于與基底垂直微柱的上面，可以直接根據微柱的彎曲變形程度與方向測定與細胞接觸點牽引力的大小與方向。

  2.2.2、熒光微珠嵌入聚丙烯酰胺凝膠：
  
  通過培養在具已知彈性軟基底（聚丙烯酰胺(PA)膠），細胞收縮過程中對基底產生的牽引力使基底產生變形，這種變形反映到熒光微珠的運動；用熒光顯微鏡采集熒光微珠的運動信息，經圖像處理后，得到基底的應變信息，然后通過一定的力學模型，定量反演出細胞的牽引力；細胞收縮或遷移過程中各個時刻的力分布就可以可視化在計算機屏幕上

  2.2.3、熒光彈性可收縮表面微圖案化多孔板高通量細胞收縮力檢測多孔板-24、96、384孔板：
  
  該可高通量檢測細胞收縮力的多孔板是軟膜底嵌有熒光微圖案的du特微孔板，上面有100,000多個均勻分布的X或+形的具有粘性蛋白質微圖案，細胞沉降并附著在其上，嵌入板中的X具有彈性，因此每當細胞收縮時它們就會收縮。 X帶有分子標記，可以發出熒光，從而可以成像和量化縮小的形狀

  2.2.4、合規PMDS基底多孔板：
  
  采用軟彈性基底，通過細胞與彈性基底相互作用引起的基底變形來測定或計算細胞牽引力

  可定制剛度0.1kPa 至 100 kPa 的楊氏彈性模量、蛋白質涂層

• 2.3、適用樣品：

  2D單個細胞、3D凝膠包埋的細胞、細胞集落和融合細胞層中的力生成和應力分析，細胞收縮力、細胞之間相互用力、細胞與ECM之間相互用力、跨細胞邊界作用力、平均法向應力和剪切應力

• 2.4、典型測試應用：

有許多不同的方法可以測量力的產生和應力。在這里，您可以找到可以使用該程序計算的數量的概覽。

2.4.3、收縮力

收縮力定義為牽引力向一個點（稱為力中心）的投影之和。因此，如果力都已經指向一個中心點，則收縮性很高。局部相反的力和不指向力震中的力對收縮性沒有貢獻。能夠以力似乎源自單個點的方式協調其力產生的細胞或細胞群可以獲得高收縮性，同時消耗相對少量的應變能。

這在圖13中進一步說明。案例 A 代表具有兩個具有高度協調力生成的細胞的細胞集落，案例 B 代表具有協調性的細胞。在情況 B 中，每個細胞自行產生收縮力。因此，如果我們假設情況 A 和 B 中的應變能相等，則情況 B 的收縮性較低。

綜上所述：應變能是總力產生的量度，而收縮性是協調力產生的量度。

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