ATA-2042高壓放大器在細胞的剪切應力傳感器研究中的應用

　　微流控技術(shù)是一種通過(guò)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)。它是現代醫學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的一種重要的生物醫學(xué)工程技術(shù)，具有廣泛的應用前景和重要性。它在高通量分析、個(gè)性化醫療、細胞篩選等方面有著(zhù)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(zhù)往下看吧~

　　醫學(xué)界發(fā)現腫瘤細胞會(huì )通過(guò)內滲的方式進(jìn)入血管，隨著(zhù)血液的流動(dòng)擴散到身體的各個(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 )對細胞造成致命的損傷，而相對低的剪切應力則有利于細胞在循環(huán)中存活。因此，細胞在通過(guò)內滲進(jìn)入血管時(shí)，會(huì )選擇流體剪切應力較低的路徑。然而這些細胞到底是如何感應剪切應力并做出判斷，以及如何實(shí)現擇路而行這一舉措，依然是一個(gè)未解的問(wèn)題。

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

　　首先，該團隊設計了一款擁有三維狹長(cháng)通道的微流控芯片（圖1A）。腫瘤細胞在人體內擴散時(shí)需要穿過(guò)的細胞外基質(zhì)內的狹小通道，這些通道的寬度由3微米至30微米不等，長(cháng)度有的可達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(lái)模擬細胞擴散的途徑，再通過(guò)調整兩側二維流道內液體流速，就能提供靜止或剪切力環(huán)境。

　　該團隊于是比較了在不同尺寸的通道內，不同細胞（原代人皮膚成纖維細胞，人類(lèi)新生包皮成纖維細胞以及中國倉鼠卵巢細胞）在剪切力作用下的表現。結果顯示，不同細胞在不同寬度的流道內，都出現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)回縮的現象（圖1.B-E）。理論上,鈣(Ca2+)信號有助于持續的細胞遷移，趨化，和對物理線(xiàn)索的反應。為了驗證它與這里細胞遇剪切力回縮的現象有關(guān)，團隊在成纖維細胞上加載了鈣離子指示劑染料，并由此觀(guān)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，得出結論：成纖維細胞在其前緣感知到剪切流時(shí)，導致鈣內流，細胞逆轉遷移方向。

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

　　為了驗證細剪切力確實(shí)會(huì )促進(jìn)鈣離子內流，該團隊增加了觀(guān)測通量，在更大范圍內觀(guān)察細胞在剪切力下的鈣離子流動(dòng)狀況（圖2.AB）,再次驗證了當細胞從靜止環(huán)境切換到剪切力環(huán)境（0.5dyne/cm^2）時(shí)，鈣離子內流量會(huì )大幅躍升。鈣離子的內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流相關(guān)的呢？通過(guò)用抑制劑分別堵住不同的鈣離子通道并運用排除法篩選，團隊最終確認TRPM7這個(gè)TRP通道才是最關(guān)鍵的流體剪切傳感器，是它介導了成纖維細胞遷移方向的逆轉

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

　　找到了感應器，解釋了細胞是如何感受到剪切力，那又是什么使得細胞向著(zhù)相反的方向移動(dòng)的呢？該團隊先是從形態(tài)上觀(guān)察到在微流道內遷移的細胞90%呈間質(zhì)細胞形態(tài)（有突觸）（圖3AB）,這顯示了肌動(dòng)蛋白聚合驅動(dòng)(actinpolymerization–driven)的遷移機制，而回轉的時(shí)候50%的細胞從伸展狀態(tài)轉變成囊泡狀(圖3AB)，則體現了的肌動(dòng)蛋白的聚集。最終，團隊總結認為，剪切力增加了細胞肌動(dòng)球蛋白（Myosin-II）的收縮力，使細胞能反向移動(dòng)。

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

　　聯(lián)想到RhoA是一種被深入研究過(guò)并被廣泛認可，能被多種物理因素激活從而影響細胞收縮/移動(dòng)的蛋白質(zhì)，該團隊使用熒光壽命共聚焦顯微鏡（FLIM）證實(shí)了成纖維細胞遷移方向的逆轉是由RhoA/myosin-II和IQGAP1-Cdc42協(xié)同介導實(shí)現的（圖4）。

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

　　找到了細胞感受剪切力刺激的感受器，也明白了細胞反向運動(dòng)的機制，那么這些發(fā)現是否能被用來(lái)抑制癌細胞的轉移、內滲呢？該團隊檢測了HT-1080纖維肉瘤細胞，觀(guān)察到該腫瘤細胞在5dyn/cm^2處表現出來(lái)的反向運動(dòng)程度僅與成纖維細胞在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HT-1080纖維肉瘤細胞的各個(gè)Ca2+通道的表達幾乎都遠不及成纖維細胞（圖5C.）。同時(shí)HT-1080纖維肉瘤細胞的RhoA分泌也可被剪切力激活，但總量遠小于成纖維細胞(圖5H.)。由此可見(jiàn)，HT-1080纖維肉瘤細胞對剪切力的靈敏度遠低于成纖維細胞，因此才不受剪切力影響，更容易發(fā)生內滲并四處擴散。

　　圖5HT-1080纖維肉瘤細胞出現TRPM7活性、流體剪切敏感性和RhoA活性降低的現象

　　找到了纖維肉瘤細胞易內滲/轉移的原因，該團隊便嘗試反向操作來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。他們刺激纖維肉瘤細胞超量表達TRPM7，再施加剪切力進(jìn)行檢測。結果果然顯示，纖維肉瘤細胞對剪切力的敏感程度大幅提升，并且宏觀(guān)來(lái)看，它原發(fā)腫瘤的浸潤（向外擴張）和內滲（穿透血管壁）現象也明顯減少（圖6，圖7）。

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

　　圖7TRPM7在HT-1080纖維肉瘤細胞中的過(guò)表達抑制侵襲性轉移灶的形成

　　這一研究充分表明，力敏離子通道是細胞探測其物理微環(huán)境的重要途經(jīng)，能賦予細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胞如何使用TRPM7力敏離子通道來(lái)檢測和避免進(jìn)入血流，以及癌細胞如何降低TRPM7活性、抑制其下游信號轉導來(lái)降低自身對剪切力的敏感程度，人類(lèi)對于癌癥的治療或許又能有新的認識。

　　圖：ATA-2042高壓放大器指標參數