利用磁性纳米颗粒同时控制上千个细胞
来自美国加州大学洛杉矶分校亨利-萨缪理工程与应用科学学院的研究人员证实利用比人头发宽度小大约1000多倍的微小磁性纳米颗粒，他们就能够操纵上千种如何发生分裂、改变外形和产生指状的扩展。研究人员说，这种新的工具能够被用于发育生物学中来理解组织如何发育，或者用于癌症研究中来发现癌细胞如何移动和入侵周围的组织。相关研究结果于10月14日刊登在Nature Methods期刊上。
细胞被认为是一种复杂的生物机器，能够各种各样的“输入(input)”和产生特异性的“输出(output)”，如生长、运动、分裂或产生分子。除了输入之外，细胞也对输入的位置极其敏感，这部分上是因为细胞进行“空间复用(spatial multiplexing)”：在细胞内不同的位点利用相同的基础生物化学信号执行不同的功能。
理解这种信号的定位是特别充满挑战性的，这是因为科学家们缺少分辨率足够高的工具来控制细胞微小环境内的功能。鉴于每个细胞作出的反应能够发生变化，因此任何有用的工具将能够同时干扰具有类似特征的很多细胞从而使得它们作出的反应得到准确的分布。
为解决这种问题，包括生物工程副教授Dino Di Carlo、博士后学者Peter Tseng和电子工程教授Jack Judy在内的一个来自加州大学洛杉矶分校的跨学科研究小组开发出一种平台来精确地操纵形状均一的细胞内部的磁性纳米颗粒。这些纳米颗粒产生一种局部的机械信号和产生来自细胞的不同反应。
为了获得这种平台，一旦细胞吞入这些小的颗粒(每个颗粒的尺寸为100纳米)，研究小组首先不得不克服通过细胞的黏性内部来移动这些纳米颗粒的挑战。利用能够让磁性材料启动和关闭的铁磁技术，研究小组开发出一种方法来让由小的铁磁块组成的网格嵌入在微型玻璃载片上和利用附着到细胞上的蛋白精确地放置单个细胞到这些铁磁块的附近，其中这些铁磁块携带有附着到细胞上的蛋白图案。
当加入一种外在磁场到这种系统中时，这些铁磁块就被启动，因而能够在特定的方向拉动细胞内的这些纳米颗粒，从而均匀地让它们对齐。这样，研究人员就能够同时引导和控制上千个细胞。
利用这种平台，这个研究小组证实细胞以几种方式(包括它们分裂的方式)对这种局部的磁力作出反应。当细胞进行复制而产生两种子细胞的过程时，分裂轴依赖于这种细胞的形状和它附着到表面上的锚定点。研究人员发现细胞内纳米颗粒产生的磁力能够改变细胞分裂轴，以致于细胞沿着磁力的方向进行分裂。
研究人员说，这种对磁力的敏感性可能有助于人们认识胚胎发育期间组织形成和伸展。除了控制分裂轴之外，他们还发现纳米颗粒诱导的局部磁力也能激活一种生物学程序，在这种程序中，细胞产生丝状伪足。利用这些丝状伪足，细胞就能够找到附着的位点。
Magnetic nanoparticle–mediated massively parallel mechanical modulation of single-cell behavior
Peter Tseng, Jack W Judy & Dino Di Carlo
We report a technique for generating controllable, time-varying and localizable forces on arrays of cells in a massively parallel fashion. To achieve this, we grow magnetic nanoparticle–dosed cells in defined patterns on micromagnetic substrates. By manipulating and coalescing nanoparticles within cells, we apply localized nanoparticle-mediated forces approaching cellular yield tensions on the cortex of HeLa cells. We observed highly coordinated responses in cellular behavior, including the p21-activated kinase–dependent generation of active, leading edge–type filopodia and biasing of the metaphase plate during mitosis. The large sample size and rapid sample generation inherent to this approach allow the analysis of cells at an unprecedented rate: in a single experiment, potentially tens of thousands of cells can be stimulated for high statistical accuracy in measurements. This technique shows promise as a tool for both cell analysis and control.
文献链接：Magnetic nanoparticle–mediated massively parallel mechanical modulation of single-cell behavior
