ATA-2042高壓放大器在細(xì)胞的剪切應(yīng)力傳感器研究中的應(yīng)用

　　微流控技術(shù)是一種通過微小的通道和微型裝置對流體進(jìn)行精確操控和分析的技術(shù)。它是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中的一種重要的生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要性。它在高通量分析、個(gè)性化醫(yī)療、細(xì)胞篩選等方面有著巨大的潛力，Aigtek安泰電子今天就將為大家分享一篇微流控領(lǐng)域研究成果，一起接著往下看吧~

　　醫(yī)學(xué)界發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞會(huì)通過內(nèi)滲的方式進(jìn)入血管，隨著血液的流動(dòng)擴(kuò)散到身體的各個(gè)部位。與此同時(shí)，科學(xué)家們也普遍意識到，較高的剪切力會(huì)對細(xì)胞造成致命的損傷，而相對低的剪切應(yīng)力則有利于細(xì)胞在循環(huán)中存活。因此，細(xì)胞在通過內(nèi)滲進(jìn)入血管時(shí)，會(huì)選擇流體剪切應(yīng)力較低的路徑。然而這些細(xì)胞到底是如何感應(yīng)剪切應(yīng)力并做出判斷，以及如何實(shí)現(xiàn)擇路而行這一舉措，依然是一個(gè)未解的問題。

　　近期，The Johns Hopkins University的Konstantinos Konstantopoulos教授團(tuán)隊(duì)在Science Advances發(fā)表題為The fluid shear stress sensor TRPM7 regulates tumor cell intravasation的文章。該團(tuán)隊(duì)通過微流控芯片模擬了細(xì)胞內(nèi)滲遷移的過程，并基于正常(非癌)或腫瘤細(xì)胞在從遷移到內(nèi)滲過程中感知和響應(yīng)剪切應(yīng)力的能力提供了一種分子層面的解釋：(TRPM7)是關(guān)鍵的流體剪切傳感器。TRPM7 活性越高, 細(xì)胞對剪切力越敏感，遷移能力越弱。同時(shí)闡明了TRPM7感應(yīng)下游的信號通路。

　　首先，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款擁有三維狹長通道的微流控芯片（圖1A）。腫瘤細(xì)胞在人體內(nèi)擴(kuò)散時(shí)需要穿過的細(xì)胞外基質(zhì)內(nèi)的狹小通道，這些通道的寬度由3微米至30微米不等，長度有的可達(dá)600微米。而這款芯片有兩條較寬的近似2維并互相平行的扁平流道（W=400um;H=30um），其間又由一排垂直于這兩條流道并互相平行的微流道（W=10,20,or50um;H=10um;L=200um）連通。該芯片上的微流道可用來模擬細(xì)胞擴(kuò)散的途徑，再通過調(diào)整兩側(cè)二維流道內(nèi)液體流速，就能提供靜止或剪切力環(huán)境。

　　該團(tuán)隊(duì)于是比較了在不同尺寸的通道內(nèi)，不同細(xì)胞（原代人皮膚成纖維細(xì)胞，人類新生包皮成纖維細(xì)胞以及中國倉鼠卵巢細(xì)胞）在剪切力作用下的表現(xiàn)。結(jié)果顯示，不同細(xì)胞在不同寬度的流道內(nèi)，都出現(xiàn)了明顯的遇到剪切力（爬出微流道，接觸到存在剪切力的二微流道）時(shí)回縮的現(xiàn)象（圖1.B-E）。理論上,鈣(Ca2+)信號有助于持續(xù)的細(xì)胞遷移，趨化，和對物理線索的反應(yīng)。為了驗(yàn)證它與這里細(xì)胞遇剪切力回縮的現(xiàn)象有關(guān)，團(tuán)隊(duì)在成纖維細(xì)胞上加載了鈣離子指示劑染料，并由此觀察到鈣離子流動(dòng)量在遇到剪切力時(shí)急劇提升（圖1F）。最終，得出結(jié)論：成纖維細(xì)胞在其前緣感知到剪切流時(shí)，導(dǎo)致鈣內(nèi)流，細(xì)胞逆轉(zhuǎn)遷移方向。

　　圖1成纖維細(xì)胞在其前緣感應(yīng)流體剪切時(shí)，細(xì)胞外鈣離子會(huì)快速內(nèi)流，從而使其發(fā)生反向遷移

　　為了驗(yàn)證細(xì)剪切力確實(shí)會(huì)促進(jìn)鈣離子內(nèi)流，該團(tuán)隊(duì)增加了觀測通量，在更大范圍內(nèi)觀察細(xì)胞在剪切力下的鈣離子流動(dòng)狀況（圖2.AB）,再次驗(yàn)證了當(dāng)細(xì)胞從靜止環(huán)境切換到剪切力環(huán)境（0.5dyne/cm^2）時(shí)，鈣離子內(nèi)流量會(huì)大幅躍升。鈣離子的內(nèi)流是由力敏離子通道控制的，但是力敏離子通道也有很多種，到底哪一個(gè)是真正與收到剪切力刺激后鈣離子內(nèi)流相關(guān)的呢？通過用抑制劑分別堵住不同的鈣離子通道并運(yùn)用排除法篩選，團(tuán)隊(duì)最終確認(rèn)TRPM7這個(gè)TRP通道才是最關(guān)鍵的流體剪切傳感器，是它介導(dǎo)了成纖維細(xì)胞遷移方向的逆轉(zhuǎn)

　　圖2TRPM7是關(guān)鍵的流體剪切傳感器，它介導(dǎo)了成纖維細(xì)胞遷移方向的逆轉(zhuǎn)

　　找到了感應(yīng)器，解釋了細(xì)胞是如何感受到剪切力，那又是什么使得細(xì)胞向著相反的方向移動(dòng)的呢？該團(tuán)隊(duì)先是從形態(tài)上觀察到在微流道內(nèi)遷移的細(xì)胞90%呈間質(zhì)細(xì)胞形態(tài)（有突觸）（圖3AB）,這顯示了肌動(dòng)蛋白聚合驅(qū)動(dòng)(actinpolymerization–driven)的遷移機(jī)制，而回轉(zhuǎn)的時(shí)候50%的細(xì)胞從伸展?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成囊泡狀(圖3AB)，則體現(xiàn)了的肌動(dòng)蛋白的聚集。最終，團(tuán)隊(duì)總結(jié)認(rèn)為，剪切力增加了細(xì)胞肌動(dòng)球蛋白（Myosin-II）的收縮力，使細(xì)胞能反向移動(dòng)。

　　圖3流體剪切應(yīng)力會(huì)激活肌球蛋白-ii的收縮能力，這是逆轉(zhuǎn)成纖維細(xì)胞遷移方向所必需的

　　聯(lián)想到RhoA是一種被深入研究過并被廣泛認(rèn)可，能被多種物理因素激活從而影響細(xì)胞收縮/移動(dòng)的蛋白質(zhì)，該團(tuán)隊(duì)使用熒光壽命共聚焦顯微鏡（FLIM）證實(shí)了成纖維細(xì)胞遷移方向的逆轉(zhuǎn)是由RhoA/myosin-II和IQGAP1-Cdc42協(xié)同介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的（圖4）。

　　圖4蛋白RhoA和極性蛋白Cdc42協(xié)同作用，介導(dǎo)遷移方向的逆轉(zhuǎn)

　　找到了細(xì)胞感受剪切力刺激的感受器，也明白了細(xì)胞反向運(yùn)動(dòng)的機(jī)制，那么這些發(fā)現(xiàn)是否能被用來抑制癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移、內(nèi)滲呢？該團(tuán)隊(duì)檢測了HT-1080纖維肉瘤細(xì)胞，觀察到該腫瘤細(xì)胞在5dyn/cm^2處表現(xiàn)出來的反向運(yùn)動(dòng)程度僅與成纖維細(xì)胞在0.5dyn/cm^2的剪切力下的狀態(tài)一致（圖5A.B.）。再進(jìn)一步檢測，發(fā)現(xiàn)HT-1080纖維肉瘤細(xì)胞的各個(gè)Ca2+通道的表達(dá)幾乎都遠(yuǎn)不及成纖維細(xì)胞（圖5C.）。同時(shí)HT-1080纖維肉瘤細(xì)胞的RhoA分泌也可被剪切力激活，但總量遠(yuǎn)小于成纖維細(xì)胞(圖5H.)。由此可見，HT-1080纖維肉瘤細(xì)胞對剪切力的靈敏度遠(yuǎn)低于成纖維細(xì)胞，因此才不受剪切力影響，更容易發(fā)生內(nèi)滲并四處擴(kuò)散。

　　圖5HT-1080纖維肉瘤細(xì)胞出現(xiàn)TRPM7活性、流體剪切敏感性和RhoA活性降低的現(xiàn)象

　　找到了纖維肉瘤細(xì)胞易內(nèi)滲/轉(zhuǎn)移的原因，該團(tuán)隊(duì)便嘗試反向操作來解決這個(gè)問題。他們刺激纖維肉瘤細(xì)胞超量表達(dá)TRPM7，再施加剪切力進(jìn)行檢測。結(jié)果果然顯示，纖維肉瘤細(xì)胞對剪切力的敏感程度大幅提升，并且宏觀來看，它原發(fā)腫瘤的浸潤（向外擴(kuò)張）和內(nèi)滲（穿透血管壁）現(xiàn)象也明顯減少（圖6，圖7）。

　　圖6HT-1080纖維肉瘤細(xì)胞在過表達(dá)TRPM7后獲得了極強(qiáng)的剪切敏感性，同時(shí)顯示出大幅減弱的擴(kuò)散出原發(fā)腫瘤并發(fā)生內(nèi)滲的能力

　　圖7TRPM7在HT-1080纖維肉瘤細(xì)胞中的過表達(dá)抑制侵襲性轉(zhuǎn)移灶的形成

　　這一研究充分表明，力敏離子通道是細(xì)胞探測其物理微環(huán)境的重要途經(jīng)，能賦予細(xì)胞在非受限或受限環(huán)境下遷移、入侵和增殖的能力。了解了正常的成纖維細(xì)胞如何使用TRPM7力敏離子通道來檢測和避免進(jìn)入血流，以及癌細(xì)胞如何降低TRPM7活性、抑制其下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來降低自身對剪切力的敏感程度，人類對于癌癥的治療或許又能有新的認(rèn)識。

　　圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)