新型電磁細胞分選技術

[jlee42]

一種電磁設備可以通過將細胞懸浮到不同高度來輕柔地分選細胞。
這看起來像魔術：液體介質底部的細胞開始懸浮，然後懸停在特定高度。 無需物理接觸，一種無形的力量指揮特定細胞像微型潛艇一樣同步上浮或下潛。
但這裡沒有障眼法。 這一切都發生在一個新型細胞分選設備中，該設備利用電磁懸浮精確控制細胞運動。 該設備由斯坦福醫學院（美國加利福尼亞州）研究人員及合作者開發，可用於分離不同類型的細胞——例如，將癌細胞與健康細胞分離，或將活細胞與死細胞分離——在實驗室和臨床中有許多潛在應用。
"在臨床環境中，你可能只有少量活檢樣本，需要觀察特定細胞並保持其活性以進行進一步的基因組檢測——這將是該技術的完美應用，"放射學助理教授、該研究高級作者納西德·戈茲德·杜爾穆斯評論道。
與其它細胞分選技術不同，這種名為Electro-LEV的新設備不需要將螢游標記或抗體附著在細胞上，也不需要將細胞暴露於苛刻的化學物質或離心力中。 相反，細胞根據其密度和磁化率進行分離，使研究人員能夠輕柔地分選細胞。
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Electro-LEV建立在杜爾穆斯十多年前開發的簡單磁懸浮系統基礎上。 2015年，她發表了一篇論文，展示該系統幾乎可以懸浮任何類型的細胞。 "細胞可以懸浮，因為地球上的一切都具有固有的磁性，"杜爾穆斯解釋道。
磁懸浮系統由一對磁鐵組成，每塊大小約如口香糖，強度略高於普通冰箱磁鐵，上下放置，北極對北極，南極對南極。 一根直徑1毫米的細玻璃毛細管夾在兩塊磁鐵之間。 含有順磁性溶液的細胞流經毛細管。
"我們使用的磁力非常小，約0.4特斯拉，"杜爾穆斯分享道。 "但我們系統的妙處在於，我們將磁鐵放置得非常接近，從而產生很大的磁場梯度。 這就是訣竅。 "磁場梯度是指磁場強度隨距離的變化，當兩塊磁鐵更接近時，梯度增大。 梯度越大，對磁場中物體施加的力就越大。
相比之下，MRI機器中的強磁鐵約為7特斯拉，相距約1米。 "MRI機器中的磁場梯度實際上比我們在微型設備中產生的要小，我們的設備中磁鐵相距僅1毫米，"杜爾穆斯評論道。
在毛細管內，磁場梯度使細胞懸浮到一個平衡點。 確切高度主要取決於細胞的密度，而密度因細胞類型和狀態而異。
儘管2015年論文中描述的磁懸浮系統允許研究人員視覺區分不同類型的細胞，但差異往往太小，無法實際分選細胞。 該設置也是靜態的，意味著在實驗過程中無法調整條件。
改變電流
新設備在兩塊磁鐵上都添加了電磁線圈。 通過調節流經線圈的電流，研究人員可以即時改變施加在細胞上的磁力。 "憑借我們當前的設計，你可以非常精確地操控細胞以進一步分離它們，"杜爾穆斯分享道。
懸浮在不同高度的細胞在流出毛細管時被分選，毛細管分為上出口和下出口。 "如果分選不順利，只需改變電流，"杜爾穆斯評論道。 "一切都在你的即時控制之下，因此更加使用者友好。"
生與死
在新研究中，研究人員證明Electro-LEV可以微調各種細胞類型的懸浮，包括乳腺癌細胞、肺癌細胞、成纖維細胞和白細胞。
隨後，他們測試了該系統解決生物樣本製備中一個常見問題的能力——分離活細胞與死細胞。 例如，為了準確的單細胞RNA測序和藥物毒性篩選，需要剔除死細胞。 在幹細胞移植中，死細胞會引發危險的炎症反應。
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幸運的是，死細胞飛得不如活細胞高。 "一旦細胞死亡，通常其細胞膜受損且更具滲透性，因此吸收更多順磁性溶液而變得更緻密，"杜爾穆斯解釋道。
當研究人員從50%活細胞的樣本開始時，發現Electro-LEV能夠充分分選活細胞和死細胞，獲得約93%活細胞的樣本。 即使起始樣本中僅有10%活細胞，Electro-LEV也能獲得約70%活細胞的樣本。
該系統甚至可能具有分選密度相似細胞的潛力。 研究人員發現，與單個癌細胞相比，癌細胞簇對磁場變化的反應更快。 這是因為單個細胞相對於體積具有更大的表面積，受到更大的阻力。 這一現象表明，懸浮速度可能成為監測癌細胞簇的一種方式，而癌細胞簇往往更具侵襲性，更易導致轉移。
她設想電磁懸浮具有廣泛的應用前景，從分選癌細胞到微生物，組裝細胞形成類器官，甚至操控微型機器人。 "這是一個廣泛而多功能的平臺，"杜爾穆斯總結道。 "我認為將會有我們甚至尚未想到的應用。"