基于电阻抗解算机械本征参数的免相机流式细胞仪

单细胞的机械特性能反映细胞和亚细胞状态和功能，包括细胞粘附、迁移、极化和分化。利用机械本征参数（杨氏模量和流度等）对细胞进行表型分析，在基础和应用生命科学研究中具有重要意义。传统上广泛使用的测量方法如原子力显微镜、光镊和微管吸吮通常存在不少问题：1）耗时、通量低；2）技术复杂系统不易操作；3）系统庞大昂贵等。基于微流控的策略提供了方便易用和高通量的平台来评估单细胞的变形能力，但是往往需要昂贵且复杂的高速成像系统与耗时费力的图像处理技术来得到细胞的变形量从而解算细胞的机械本征参数，难以实现实时单细胞检测。

为了降低系统和处理算法的复杂性，清华大学精密仪器系王文会教授（点击查看介绍）团队基于具有高通量优势的阻抗流式术，开发了阻抗赋能的无相机流式细胞仪（CFIMC），其结合微流控技术和阻抗检测技术的高通量实时机械参数测量方法和系统，利用流道结构和电极位置的耦合，以及电阻抗测量的高时间分辨率特性，实现无需高速成像系统、仅依靠电阻抗信号即可高通量实时解算单细胞机械本征参数。CFIMC可以有效提高细胞本征参数的测量效率并可适用于即时诊断和临床应用。

图1. 微流控装置设计、测量模型、原理与CFIMC系统示意图。

机械特性表征的基本原理是在流道中产生细胞的受力变形，通过细胞变形过程和力学模型求取机械特性参数。因此，基于电学实现机械表征的关键是将阻抗信号映射到相应的细胞机械变形。为此，研究者利用电阻抗测量的高时间分辨率特性，将测量电极部署在收缩通道的两侧并构建电学测量等效模型（图1A），并与单细胞形变模型（图1B）建立映射关系实现电学-机械等效测量模型的构建。基于构建的测量模型，研究者通过微纳制造技术制作了微流控芯片（图1C-D）并基于锁定放大测量系统与数据处理算法系统实现样本入-结果出的高通量CFIMC系统（图1E）。

研究者首先对测量原理进行验证（图2A-C），通过单细胞挤压通过测量区域的阻抗信号与基于高速相机提取的细胞形变量进行对比验证了阻抗信号与机械变形的映射关系，证实了电学-机械等效测量模型在单细胞本征机械特征表征的适用性。此外，基于阻抗的时空特征（图2D-E），研究者提出了一套基于事件检测原理与阻抗导数-形变映射关系的数据处理算法用于实时处理采集的阻抗信号得到单细胞的本征机械特性。经验证，能够实现在100 ms级时间里完成单细胞的机械本征参数求解，从而实现>100 cells/min的高通量单细胞检测。

图2. 阻抗-形变映射验证与单细胞机械本征参数求解。

随后，研究者基于该测量系统对三类人乳腺细胞系进行机械特性测量与表型（图3），测量结果与使用高速相机测得的结果具有一致性。结果表明，MDA-MB-231 是最容易变形且侵入性最强的，而 MCF-10A 是最坚硬且侵入性最小的。测量结果验证了癌细胞比正常细胞更柔软，而高侵袭性细胞比低侵袭性细胞更柔软。此外，基于机械特性，机器学习算法对MDA-MB-231、MCF-7和MCF-10A三种细胞系的分类准确率达到85.8%，且从混淆矩阵中可以看出，癌细胞之间存在更多混淆，表明正常细胞和癌细胞之间的差异大于两种癌细胞之间的差异。

图3. 三种人乳腺细胞系的单细胞本征机械特性和表型分析。

CFIMC 系统为高通量和实时单细胞本征机械表征提供了一个无需相机的全新平台。利用此平台，研究者对药物处理过的细胞进行研究，进一步揭示了细胞骨架结构对细胞内在力学性能的影响，并检测了用不同浓度的细胞松弛素 Cytochalasin B处理的细胞的细微机械特性变化，如图4，发现1 μM级浓度的 Cytochalasin B 可能是诱导处理细胞细胞骨架发生显著变化的阈值。

图4. 不同浓度的细胞松弛素处理的细胞的机械特性变化。

相关工作发表于Small Methods (IF=15.367)，并入选为期刊背封面文章。文章第一作者是清华大学精仪系博士生丰泳翔，通讯作者是清华大学精仪系王文会教授。该研究得到国家自然科学基金资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Impedance-Enabled Camera-Free Intrinsic Mechanical Cytometry

Yongxiang Feng, Huichao Chai, Weihua He, Fei Liang, Zhen Cheng and Wenhui Wang*

Small Methods, 2022, DOI: 10.1002/smtd.202200325

通讯作者

王文会，长聘副教授/博士生导师，清华大学

本文通讯作者，清华大学精密仪器系长聘副教授，入选国家高层次人才引进计划青年项目。主要从事微操作器件和系统、机器人自动化技术、及其在生命科学仪器领域的应用研究工作。承担国家重点专项课题、科技创新2030—“脑科学与类脑研究”重大项目子课题、国家自然科学基金仪器项目、面上项目等；发表50多篇SCI论文，获得授权发明专利12项（包括2项美国专利）。曾任机器人领域SCI期刊IEEE Robotics and Automation Letters和Int. J. Adv. Rob. Sys的副主编、微流控领域SCI期刊Biomicrofluidics编委、机器人和自动化领域顶级或知名国际会议（如microTAS，IEEE ICRA/CASE/ICCA，MARSS）的程序共同主席、副主编、程序委员会委员等。IEEE高级会员、中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术分会理事。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49857