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)是一種通過微小的通道和微型裝置對流體進行精確操控和分析的技術(shù)。它是現(xiàn)代醫(yī)學技術(shù)發(fā)展過程中的一種重要的生物醫(yī)學工程技術(shù)，具有廣泛的應用前景和重要性。它在高通量分析、個性化醫(yī)療、細胞篩選等方面有著巨大的潛力，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，一起接著往下看吧~

　　醫(yī)學界發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞會通過內(nèi)滲的方式進入血管，隨著血液的流動擴散到身體的各個部位。與此同時，科學家們也普遍意識到，較高的剪切力會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，細胞在通過內(nèi)滲進入血管時，會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，以及如何實現(xiàn)擇路而行這一舉措，依然是一個未解的問題。

　　近期，The Johns Hopkins University的Konstantinos Konstantopoulos教授團隊在Science Advances發(fā)表題為The fluid shear stress sensor TRPM7 regulates tumor cell intravasation的文章。該團隊通過微流控芯片模擬了細胞內(nèi)滲遷移的過程，并基于正常(非癌)或腫瘤細胞在從遷移到內(nèi)滲過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：(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。同時闡明了TRPM7感應下游的信號通路。

　　首先，該團隊設(shè)計了一款擁有三維狹長通道的微流控芯片（圖1A）。腫瘤細胞在人體內(nèi)擴散時需要穿過的細胞外基質(zhì)內(nèi)的狹小通道，這些通道的寬度由3微米至30微米不等，長度有的可達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模擬細胞擴散的途徑，再通過調(diào)整兩側(cè)二維流道內(nèi)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(nèi)，不同細胞（原代人皮膚成纖維細胞，人類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(xiàn)。結(jié)果顯示，不同細胞在不同寬度的流道內(nèi)，都出現(xiàn)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）時回縮的現(xiàn)象（圖1.B-E）。理論上,鈣(Ca2+)信號有助于持續(xù)的細胞遷移，趨化，和對物理線索的反應。為了驗證它與這里細胞遇剪切力回縮的現(xiàn)象有關(guān)，團隊在成纖維細胞上加載了鈣離子指示劑染料，并由此觀察到鈣離子流動量在遇到剪切力時急劇提升（圖1F）。最終，得出結(jié)論：成纖維細胞在其前緣感知到剪切流時，導致鈣內(nèi)流，細胞逆轉(zhuǎn)遷移方向。

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

　　為了驗證細剪切力確實會促進鈣離子內(nèi)流，該團隊增加了觀測通量，在更大范圍內(nèi)觀察細胞在剪切力下的鈣離子流動狀況（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，鈣離子內(nèi)流量會大幅躍升。鈣離子的內(nèi)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，到底哪一個是真正與收到剪切力刺激后鈣離子內(nèi)流相關(guān)的呢？通過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(zhuǎn)

　　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(zhuǎn)

　　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相反的方向移動的呢？該團隊先是從形態(tài)上觀察到在微流道內(nèi)遷移的細胞90%呈間質(zhì)細胞形態(tài)（有突觸）（圖3AB）,這顯示了肌動蛋白聚合驅(qū)動(actinpolymerization–driven)的遷移機制，而回轉(zhuǎn)的時候50%的細胞從伸展狀態(tài)轉(zhuǎn)變成囊泡狀(圖3AB)，則體現(xiàn)了的肌動蛋白的聚集。最終，團隊總結(jié)認為，剪切力增加了細胞肌動球蛋白（Myosin-II）的收縮力，使細胞能反向移動。

　　圖3流體剪切應力會激活肌球蛋白-ii的收縮能力，這是逆轉(zhuǎn)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/移動的蛋白質(zhì)，該團隊使用熒光壽命共聚焦顯微鏡（FLIM）證實了成纖維細胞遷移方向的逆轉(zhuǎn)是由RhoA/myosin-II和IQGAP1-Cdc42協(xié)同介導實現(xiàn)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(zhuǎn)

　　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的機制，那么這些發(fā)現(xiàn)是否能被用來抑制癌細胞的轉(zhuǎn)移、內(nèi)滲呢？該團隊檢測了HT-1080纖維肉瘤細胞，觀察到該腫瘤細胞在5dyn/cm^2處表現(xiàn)出來的反向運動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.）。再進一步檢測，發(fā)現(xiàn)HT-1080纖維肉瘤細胞的各個Ca2+通道的表達幾乎都遠不及成纖維細胞（圖5C.）。同時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，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(nèi)滲并四處擴散。

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

　　找到了纖維肉瘤細胞易內(nèi)滲/轉(zhuǎn)移的原因，該團隊便嘗試反向操作來解決這個問題。他們刺激纖維肉瘤細胞超量表達TRPM7，再施加剪切力進行檢測。結(jié)果果然顯示，纖維肉瘤細胞對剪切力的敏感程度大幅提升，并且宏觀來看，它原發(fā)腫瘤的浸潤（向外擴張）和內(nèi)滲（穿透血管壁）現(xiàn)象也明顯減少（圖6，圖7）。

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

　　圖7TRPM7在HT-1080纖維肉瘤細胞中的過表達抑制侵襲性轉(zhuǎn)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力敏離子通道來檢測和避免進入血流，以及癌細胞如何降低TRPM7活性、抑制其下游信號轉(zhuǎn)導來降低自身對剪切力的敏感程度，人類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(shù)