動態實時的細胞分析

圖1.  E-plate底部的交叉微電極工作原理示意圖。貼壁生長的哺乳動物細胞與微電極間的相互作用產生的阻抗與孔內的細胞數量、細胞形態以及細胞黏附質量相關；阻抗的大小用細胞指數（CI）進行衡量。

生物學和細胞進程是動態變化的，而目前的細胞檢測方法多采用傳統的終點法，需要標記，并且會破壞細胞，使細胞分析具有很大的局限性。為了更充分地了解和測量生物學和細胞進程，羅氏應用科學部的xCELLigence系統提供了一種無需標記、同時又可對細胞進行實時監測的新型細胞分析平臺，來記錄細胞應答某些刺激時所產生的動態變化。

目前，大部分細胞檢測方法采用的仍是傳統的終點法，僅僅給實驗定格了一個最終結果，而且經常需要標記和破壞細胞。但因為細胞是活體，其生物學和細胞進程是動態而非靜態的。因此，為了更充分的了解和測量生物學和細胞進程，應當使用一種非侵入性的系統，來記錄細胞應答某些刺激（如藥物處理或某種生長因子刺激）時所產生的動態變化。

作為無標記生物檢測技術領域的一項創新，羅氏應用科學部的xCELLigence系統提供這樣一種無需標記、同時又可對細胞進行實時監測的新型細胞分析平臺。細胞接種在96微孔E-plate中，在每個孔的底部有嵌入的微電子感應器，微電極阻抗主要由點及周邊的離子環境決定，當電場加在上面的時候可以測量到一個基線阻抗，細胞的有無以及貼壁程度的改變都會影響電極傳感器表面電子和離子的通過。因此，細胞在檢測板上的貼壁、黏附、生長等狀況與傳感器所測量得到的阻抗相對應。根據阻抗得到的指數，反映了細胞增殖、存活、凋亡、形態變化等細胞生物學狀態（圖1）。

傳感器阻抗技術在細胞分析中的應用具有特有的優勢，第一個也是最重要的，細胞傳感器阻抗為整個實驗全程包括細胞粘附、增殖和融合提供了全程無損傷性的細胞監控。實時的監控為同一個實驗中和不同實驗間的細胞提供了出色的質量控制。另外，因為有了實時、連續顯示的數據，就可以更自信地操作和處理細胞，而不是假定細胞處于合適的處理階段。有了阻抗讀數以及實時獲取和顯示的數據的特性，每一步處理結果都可以通過機理來預測。最后，因為讀數是非損傷性的，傳統的終點分析仍然可以繼續結合阻抗讀數來決定進行傳統終點分析的最佳時間點。

為了展示xCELLigence系統在細胞分析方面的功能，以下就其幾個方面的突出應用做簡要介紹。

細胞增殖和毒性的動態監控

利用多種癌癥細胞系模型進行的細胞增殖分析是評估不同抗癌化合物的效能的基礎分析方法之一。xCELLigence系統可用來定量和動態地檢測細胞增殖和細胞毒性。每種細胞都有獨特的增殖曲線，增殖曲線取決于接種密度。這個獨特的生長曲線可作為細胞系質量控制的測量，來確保同一實驗和不同實驗間的一致性（圖2）。

圖2.  NIH3T3 和 HT1080細胞的動力學增殖曲線：a. 細胞黏附和延展階段；b. 每個細胞株特有的停滯階段；c. 指數生長期；d.融合階段。

受體活性的功能監測

G蛋白偶聯受體（GPCR）是藥物研發的重要靶點，市場上大約50%的藥物都是針對GPCR的。已知GPCR會調節肌動蛋白細胞骨架，因此可以利用這個信息來作為GPCR活性的功能和生物相關的參照。如圖3a所示，表達人H1組胺受體的CHO-K1細胞接種在E微孔板中，并用組胺刺激。組胺誘導產生了一個與肌動蛋白細胞骨架重排相關的瞬時的細胞信號（圖3b）。對組胺濃度取對數與最大細胞反應做圖，就產生了一個EC50值的劑量應答曲線（圖3c）。xCELLigence系統對于GPCR分析最大的貢獻有幾部分：首先，因為讀數是非損傷性的，細胞可以在多個時間點進行刺激評估脫敏作用和其他受體類型的干擾；第二，除了偶聯Gq亞家族G蛋白的組胺受體，表達其他偶聯Gs和Gi受體的細胞也可以用xCELLigence系統來監測。以前進行不同信號通路的GPCR分析需要幾個不同的儀器；第三也是最重要的，表達內源GPCR的細胞包括原代細胞也可以用xCELLigence系統來分析，無需過表達外源GPCR或改造細胞表達多種GPCR。這樣就可以真實評估生理條件適當的細胞類型的受體。除了GPCR，其他重要藥物靶點的受體類型，也可以通過xCELLigence系統來進行細胞功能的分析。

圖3.  GPCR活化的功能檢測。a.表達組胺H1受體的CHO-K1細胞接種到E-Plates上并持續觀察。在所示的時間點加入100nM組胺，使用xCELLigence監控細胞動力學響應。b.表達組胺H1受體的CHO-K1接種到16孔板上，與a同樣的時間點加入100nM組胺。細胞固定15min后，使用FITC-Phalloidin染色肌動蛋白細胞骨架，用熒光顯微鏡拍照。c. xCELLigence檢測到的組胺劑量與響應相關曲線。

細胞粘附與伸展

細胞粘附是多個生理學和病理學進程的重要組成部分，例如傷口愈合、炎癥、血管生成和癌癥。細胞與不同生物表面的相互作用以及粘附是一個動態的綜合的過程，需要特殊細胞表面受體、結構蛋白、信號蛋白和細胞內的細胞骨架的參與。為了展示xCELLigence系統在動態監測細胞粘附上的作用，E-plate孔中包被了濃度遞增的胞外基質蛋白，纖連蛋白。

另一些孔中包被了牛血清白蛋白（BSA）作為對照。將經過血清饑餓處理和溫和胰酶處理的COS-7細胞加入這些包被過的孔中，用xCELLigence系統連續監測細胞粘附和細胞伸展的過程（圖4）。濃度遞增的纖連蛋白使細胞指數增加，而BSA則不支持細胞的粘附與伸展。因此，xCELLigence系統可以用來評估細胞骨架藥物、酶和信號蛋白抑制劑、生理上干擾或阻礙細胞粘附與伸展或干擾下游信號通路的藥劑的功效。

圖4.  在嵌有微電極的E-plate上分別涂布0~20 μg/ml濃度逐級升高的fibronectin，加入分離的血清饑餓處理COS7，細胞的黏附及延展過程被xCELLigence系統記錄。

非標記技術、非損傷性的讀數以及與動力學的結合最大程度地獲得高信息量和高內涵的數據，讓使用者們對他們的分析以及分析數據的質量做出很好的判斷。xCELLigence系統提供的時間分辨可以作為一個重要的工具來更好地完善分子實驗譬如基因表達圖譜，我們期待這些技術在未來的整合。

xCELLigence的應用領域

藥物研發

■藥物毒理學分析

■環境毒理學

■抗腫瘤藥物篩選和研制

■抗腫瘤轉移藥物篩選和研究

■抗腫瘤藥物療效觀察

■神經營養藥物的篩選和研究

■現代中藥的開發和藥理機制分析

■基因診斷及藥物療效的基因學分析

■G-蛋白偶聯受體相關疾病藥物的篩選和研究

基礎研究

■細胞生長、分裂和死亡的機制研究

■細胞生長、分化微環境研究

■細胞表面受體配體結合研究

■細胞生長因子的生物學功能研究

■細胞質量控制

■基因功能研究

■細胞粘附和細胞伸展

■受體介導的信號通路