中国科大赵刚教授课题组在Anal. Chem发布最新研究成果
2022-08-15 08:46:07
近几十年来，人红细胞低温保存技术不断发展，并在临床医学和基础研究中展现巨大的应用潜力。但在低温保存过程中，细胞仍会不可避免地受到损伤。因此，评估回收的细胞在经历复杂的冷冻损伤后是否保持正常的生理功能和完整的结构具有重要研究意义。单细胞力学特性是揭示红细胞生理和病理状态的重要线索，红细胞变形能力的降低会阻碍血流，导致组织灌注和氧合受损、缺血或血栓形成。因此，从单细胞尺度研究冷冻保存对人体红细胞的粘弹性的影响，对深入理解细胞冷冻损伤机制具有重要作用。
鉴于此，中国科学技术大学赵刚教授课题组拓宽了片上介电泳技术的应用，提出了一种基于片上介电泳的微流控装置，可同时无创地测量多个细胞的粘弹性。从单细胞尺度完成了对冷冻保存后人体红细胞的粘弹性力学性能的研究。结果表明，单细胞粘弹性是评估回收细胞质量至关重要的指标，这不仅能够加深我们对冷冻损伤机制的理解，而且在优化冷冻保存过程和筛选最佳冷冻保护剂上也展现了巨大潜力。
本文要点：
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1. 该研究构建了一种基于片上介电泳技术的生物力学传感器来研究冷冻保存引起的细胞粘弹性的变化。研究人员使用特殊设计的电极阵列来捕获细胞，并获取细胞变形的时空信息，包括瞬态变形值和特征时间。采用标准粘弹性模型（Kelvin-Voigt）来计算剪切模量和粘度。同时，通过有限元法实现了电场与固体力学的多物理场耦合，不仅验证了电变形的可行性和稳定性，而且量化了施加在细胞上的介电泳力。
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2. 研究人员分别研究了四种常见的冷冻保护剂的加载和卸载过程以及冷冻和解冻过程对细胞膜粘弹性的影响。应用两种荧光探针 DPH 和 TMA-DPH 来测量RBC 膜在不同深度的流动性，作为粘弹性实验的进一步补充与验证。实验结果显示，使用不同类型和浓度的冷冻保护剂会对细胞膜的粘弹性造成不同程度的损伤；冷冻保存程序的不同步骤也会导致细胞粘弹性变化不同。
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3. 高冻融回收率并不能保证回收的细胞具有更好的粘弹性。所有这些结果证明了单细胞的粘弹性作为评价冻后回收细胞质量的重要指标不可替代，有助于研究人员深入了解冷冻损伤对细胞粘弹性的影响、进一步优化冷冻保存程序以及筛选效果更佳的冷冻保护剂。同时，由于红细胞的简单性和特殊性也可以为其他细胞类型的研究提供新的思路。
中国科学技术大学电子工程与信息科学系博士生胡倩倩和王子瑞为本文并列第一作者，赵刚教授为通讯作者。
参考文献：
Hu et al., Label-Free and Noninvasive Single-Cell Characterization for the Viscoelastic Properties of Cryopreserved Human Red Blood Cells Using a Dielectrophoresis-On-a-Chip Approach. Analytical Chemistry, 2022
DOI: 10.1021/acs.analchem.2c01858
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.2c01858
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