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动态实时的细胞分析

2020.3.09

图1. E-plate底部的交叉微电极工作原理示意图。贴壁生长的哺乳动物细胞与微电极间的相互作用产生的阻抗与孔内的细胞数量、细胞形态以及细胞黏附质量相关；阻抗的大小用细胞指数（CI）进行衡量。

生物学和细胞进程是动态变化的，而目前的细胞检测方法多采用传统的终点法，需要标记，并且会破坏细胞，使细胞分析具有很大的局限性。为了更充分地了解和测量生物学和细胞进程，罗氏应用科学部的xCELLigence系统提供了一种无需标记、同时又可对细胞进行实时监测的新型细胞分析平台，来记录细胞应答某些刺激时所产生的动态变化。

目前，大部分细胞检测方法采用的仍是传统的终点法，仅仅给实验定格了一个最终结果，而且经常需要标记和破坏细胞。但因为细胞是活体，其生物学和细胞进程是动态而非静态的。因此，为了更充分的了解和测量生物学和细胞进程，应当使用一种非侵入性的系统，来记录细胞应答某些刺激（如药物处理或某种生长因子刺激）时所产生的动态变化。

作为无标记生物检测技术领域的一项创新，罗氏应用科学部的xCELLigence系统提供这样一种无需标记、同时又可对细胞进行实时监测的新型细胞分析平台。细胞接种在96微孔E-plate中，在每个孔的底部有嵌入的微电子感应器，微电极阻抗主要由点及周边的离子环境决定，当电场加在上面的时候可以测量到一个基线阻抗，细胞的有无以及贴壁程度的改变都会影响电极传感器表面电子和离子的通过。因此，细胞在检测板上的贴壁、黏附、生长等状况与传感器所测量得到的阻抗相对应。根据阻抗得到的指数，反映了细胞增殖、存活、凋亡、形态变化等细胞生物学状态（图1）。

传感器阻抗技术在细胞分析中的应用具有特有的优势，第一个也是最重要的，细胞传感器阻抗为整个实验全程包括细胞粘附、增殖和融合提供了全程无损伤性的细胞监控。实时的监控为同一个实验中和不同实验间的细胞提供了出色的质量控制。另外，因为有了实时、连续显示的数据，就可以更自信地操作和处理细胞，而不是假定细胞处于合适的处理阶段。有了阻抗读数以及实时获取和显示的数据的特性，每一步处理结果都可以通过机理来预测。最后，因为读数是非损伤性的，传统的终点分析仍然可以继续结合阻抗读数来决定进行传统终点分析的最佳时间点。

为了展示xCELLigence系统在细胞分析方面的功能，以下就其几个方面的突出应用做简要介绍。

细胞增殖和毒性的动态监控

利用多种癌症细胞系模型进行的细胞增殖分析是评估不同抗癌化合物的效能的基础分析方法之一。xCELLigence系统可用来定量和动态地检测细胞增殖和细胞毒性。每种细胞都有独特的增殖曲线，增殖曲线取决于接种密度。这个独特的生长曲线可作为细胞系质量控制的测量，来确保同一实验和不同实验间的一致性（图2）。

图2. NIH3T3 和 HT1080细胞的动力学增殖曲线：a. 细胞黏附和延展阶段；b. 每个细胞株特有的停滞阶段；c. 指数生长期；d.融合阶段。

受体活性的功能监测

G蛋白偶联受体（GPCR）是药物研发的重要靶点，市场上大约50%的药物都是针对GPCR的。已知GPCR会调节肌动蛋白细胞骨架，因此可以利用这个信息来作为GPCR活性的功能和生物相关的参照。如图3a所示，表达人H1组胺受体的CHO-K1细胞接种在E微孔板中，并用组胺刺激。组胺诱导产生了一个与肌动蛋白细胞骨架重排相关的瞬时的细胞信号（图3b）。对组胺浓度取对数与最大细胞反应做图，就产生了一个EC50值的剂量应答曲线（图3c）。xCELLigence系统对于GPCR分析最大的贡献有几部分：首先，因为读数是非损伤性的，细胞可以在多个时间点进行刺激评估脱敏作用和其他受体类型的干扰；第二，除了偶联Gq亚家族G蛋白的组胺受体，表达其他偶联Gs和Gi受体的细胞也可以用xCELLigence系统来监测。以前进行不同信号通路的GPCR分析需要几个不同的仪器；第三也是最重要的，表达内源GPCR的细胞包括原代细胞也可以用xCELLigence系统来分析，无需过表达外源GPCR或改造细胞表达多种GPCR。这样就可以真实评估生理条件适当的细胞类型的受体。除了GPCR，其他重要药物靶点的受体类型，也可以通过xCELLigence系统来进行细胞功能的分析。

图3. GPCR活化的功能检测。a.表达组胺H1受体的CHO-K1细胞接种到E-Plates上并持续观察。在所示的时间点加入100nM组胺，使用xCELLigence监控细胞动力学响应。b.表达组胺H1受体的CHO-K1接种到16孔板上，与a同样的时间点加入100nM组胺。细胞固定15min后，使用FITC-Phalloidin染色肌动蛋白细胞骨架，用荧光显微镜拍照。c. xCELLigence检测到的组胺剂量与响应相关曲线。

细胞粘附与伸展

细胞粘附是多个生理学和病理学进程的重要组成部分，例如伤口愈合、炎症、血管生成和癌症。细胞与不同生物表面的相互作用以及粘附是一个动态的综合的过程，需要特殊细胞表面受体、结构蛋白、信号蛋白和细胞内的细胞骨架的参与。为了展示xCELLigence系统在动态监测细胞粘附上的作用，E-plate孔中包被了浓度递增的胞外基质蛋白，纤连蛋白。

另一些孔中包被了牛血清白蛋白（BSA）作为对照。将经过血清饥饿处理和温和胰酶处理的COS-7细胞加入这些包被过的孔中，用xCELLigence系统连续监测细胞粘附和细胞伸展的过程（图4）。浓度递增的纤连蛋白使细胞指数增加，而BSA则不支持细胞的粘附与伸展。因此，xCELLigence系统可以用来评估细胞骨架药物、酶和信号蛋白抑制剂、生理上干扰或阻碍细胞粘附与伸展或干扰下游信号通路的药剂的功效。