英文原題: Label-Free and Simultaneous Mechanical and Electrical Characterization of Single Plant Cells Using Microfluidic Impedance Flow Cytometry
通訊作者：王潔華、段學欣，天津大學
作者：Ziyu Han (韓子鈺)，Lincai Chen (陳林材)，Shuaihua Zhang (章帥華)
近日，天津大學環境科學與工程學院王潔華教授與精密儀器與光電子工程學院段學欣教授團隊合作，設計了一種基於壓縮通道的微流控流式電阻抗檢測晶片，實現了對多種植物細胞可變形性與電阻抗特性的同步表徵。該成果近期作為封面文章發表於Analytical Chemistry 期刊。
細胞在受力情況下所展現出的特殊狀態與形貌，不但反映了細胞的力學特性，也在細胞的生長和發育過程中發揮著重要作用。植物細胞初生細胞壁(primary cell wall)是植物細胞區分於動物細胞的顯著特徵。它存在於胞間層內側，主要成分包括纖維素、少量半纖維素和果膠，厚度約1-3 µm，有較大的可塑性，並能隨著細胞的生長而延展。但伴隨著初生細胞壁的再生過程，在單細胞水平上，細胞的生物物理特性將會發生何種改變？為此，本文作者提出一種基於壓縮通道的微流控流式電阻抗檢測晶片，以高通量、免標記的形式對多種植物細胞的可變形性與電阻抗特性進行了表徵(圖1)。
圖1 傳感原理示意圖
首先，作者對比了擬南芥和楊樹兩種植物細胞原生質體的可變形性和電阻抗差異(圖2a)。其中，楊樹細胞通過壓縮通道時的平均時間大於擬南芥原生質體，說明前者具有更小的細胞可變形性和更大的硬度。同時，作者還比較了細胞膜上過量表達紅色螢光蛋白的轉基因擬南芥細胞與野生型擬南芥細胞在上述特性上的差異(圖2b)。實驗表明膜蛋白的過量表達會使轉基因擬南芥細胞的電阻抗稍大於野生型，說明細胞膜組分的改變可以引起細胞膜電容的改變，進而導致細胞電阻抗變化。上述兩個實驗證明了力學和電學雙檢測方法在細胞分類中的意義和必要性。
圖2 不同種植物細胞的力學和電學特性研究
之後，研究人員選取初生細胞壁再生這一植物細胞特有的生理過程，研究了這一過程中細胞力學和機械性能的改變。首先，通過Calcofluor White螢光增白劑染色，作者統計了不同培養時間節點的擬南芥細胞的細胞壁再生完成度(圖3a)，確定在培養48小時後，90%的細胞可以完成初生細胞壁再生過程。在此基礎上，作者對0小時、24小時和48小時的擬南芥細胞的機械和電學性質進行了量化研究(圖3b)。結果表明，隨著細胞壁再生，擬南芥細胞的可變形性降低、硬度增加，同時細胞電阻抗顯著提高，證明了平臺對監測細胞特定生理過程具有靈敏度及可靠性。同時，由於初生細胞壁的形成在植物生長發育過程中是個動態過程，受到內源和環境多種因素的持續調控，作者進一步分析了植物生長素對初生細胞壁再生速率的調控作用(圖3c)。結果表明，經過相同的培養時間，1 mg/L的萘乙酸處理可以降低擬南芥細胞的變形能力、提高其電阻抗值，證明植物細胞的初生細胞壁再生過程可以被生長素在合適的濃度下正向調控。本文所提出的檢測方法不僅可以有效地在單細胞水平追蹤植物細胞的生物物理特性變化，同時也為傳統植物學研究以及單細胞表型分析提供更多的信息與思路。
圖3 擬南芥初生細胞壁再生研究
Anal. Chem. 2020, 92, 21,14568–14575
Publication Date: September 10, 2020
https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c02854
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