装置可以同时快速测量单个细胞的生长

麻省理工学院发明的一项新技术可以同时精确测量许多单个细胞的生长。这一进展为快速药物测试带来了希望，为更大群体中单个细胞的生长变异提供了新的见解，并有助于跟踪细胞对不断变化的环境条件的动态增长。

这项技术在Nature Biotechnology上发表的一篇论文中描述，使用了一系列悬浮微通道谐振器(SMR)，这是一种微流体装置，可测量单个细胞流过微小通道时的质量。一种新颖的设计将设备的吞吐量提高了近两个数量级，同时保持了精度。该论文的资深作者，麻省理工学院教授斯科特马纳利斯和其他研究人员近十年来一直在开发SMR。

在这项新研究中，研究人员使用该装置观察抗生素和抗菌肽对细菌的影响，并确定人群中单细胞的生长变化，这具有重要的临床应用价值。例如，生长缓慢的细菌有时会对抗生素产生更强的抵抗力，并可能导致反复感染。

“该设备为细胞如何生长和应对药物提供了新的见解，”Manalis，安德鲁(1956)和麻省理工学院生物工程和机械工程系Erna Viterbi教授以及科赫综合癌症研究所成员说。

该论文的主要作者是麻省理工学院计算与系统生物学项目博士毕业生Nathan Cermak和科赫研究所研究科学家Selim Olcum。该论文还有13位其他共同作者，来自Koch研究所，麻省理工学院的微系统技术实验室，Dana-Farber癌症研究所，创新微技术和法国的CEA LETI。

一阵希望

Manalis和他的同事们在2007年首次开发了SMR，并且已经为不同目的引入了多项创新，包括跟踪单细胞随时间的增长，测量细胞密度，称重细胞分泌纳米囊泡，以及最近测量短期生长细胞在营养条件变化中的反应。

所有这些技术都依赖于一个关键的方案：一个充满流体的微通道被蚀刻在一个微小的硅悬臂传感器中，该传感器在真空腔内振动。当细胞进入悬臂时，它会略微改变传感器的振动频率，并且该信号可用于确定细胞的重量。为了测量细胞的生长速度，Manalis及其同事可以在大约20分钟的时间内反复地来回通过一个单独的细胞通过通道。在此期间，细胞可累积可由SMR测量的质量。但是，虽然SMR比任何其他方法更准确地称重细胞10到100倍，但它一次仅限于一个细胞，这意味着可能需要数小时甚至数天来测量足够的细胞。

新技术的关键是设计和控制10到12个悬臂传感器阵列，这些传感器就像称重站一样，记录电池流过邮票大小的设备时的质量。在每个传感器之间缠绕“延迟通道”，每个长度约为5厘米，细胞通过该通道流动约2分钟，使它们有时间到达下一个传感器之前。每当一个小区退出传感器时，另一个小区可以进入，从而增加设备的吞吐量。结果显示每个传感器的每个细胞的质量，绘制它们生长或缩小的程度。

在该研究中，研究人员能够测量每小时约60个哺乳动物细胞和150个细菌，而单个SMR仅测量了那个时间内的少数细胞。“能够快速测量生长速率的完全分布，向我们展示了典型细胞的表现，并让我们检测出异常值 - 这在以前非常困难，但吞吐量或精度有限，”Cermak说。

用于同时测量许多单个细胞的质量的一种可比较的方法称为定量相位显微镜(QPM)，其通过测量它们的光学厚度来计算细胞的干质量。与基于SMR的方法不同，QPM可用于粘附于表面的细胞。但是，基于SMR的方法要精确得多。“我们可以在大约20分钟内可靠地解决不到百分之十的癌细胞质量的变化。这种精确度对于我们正在追求的许多临床应用来说是必不可少的，”Olcum说。

新的药物测试能力

在一项使用该装置的实验中，研究人员观察了一种名为卡那霉素的抗生素对大肠杆菌的影响。卡那霉素抑制细菌中的蛋白质合成，最终阻止它们的生长并杀死细胞。

传统的抗生素测试需要培养细菌培养，这可能需要一天或更长时间。使用新设备，研究人员在一小时内记录了细胞积聚质量的变化率。Manalis说：“在一些情况下，选择抗生素进行快速检测可以对患者的生存产生重大影响。

同样，研究人员使用该装置观察了一种名为CM15的抗菌肽的作用，CM15是一种相对较新的蛋白质候选物，用于对抗细菌。随着细菌菌株对常见抗生素产生抗性，这些候选物越来越重要。CM15在细菌细胞壁上形成微小孔，使细胞内容物逐渐泄漏，最终杀死细胞。然而，因为只有细胞的质量变化而不是它的大小，传统的显微镜技术可能会遗漏这些影响。事实上，研究人员观察到大肠杆菌细胞在暴露于CM15后立即迅速丧失质量。Manalis说，这些结果可以通过提供对机制的一些了解，为肽和其他新药提供验证。

目前，研究人员正在通过MIT / DFCI Bridge计划与Dana Farber癌症研究所的成员合作，确定该装置是否可用于通过在抗癌药物存在下称重肿瘤细胞来预测患者对治疗的反应。