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使用微图案化弹性体进行单细胞收缩力的简化高通量分析

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DOI：

10.3791/63211

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2022年4月8日

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1Forcyte Biotechnologies, 2University of California, Los Angeles

本文内容

摘要

本研究展示了一种灵活的实验方案，采用微孔板格式的荧光标记弹性可收缩表面（FLECS）技术，通过可视化荧光蛋白微图案的位移，实现对单细胞收缩力的简化、免手动定量分析。

摘要

细胞收缩力的产生几乎是所有细胞共有的基本特性。这些收缩力对于细胞和组织层面的正常发育与功能至关重要，并调控着机体的机械系统。许多生物过程都依赖于力学作用，包括单个细胞的运动、黏附和分裂，以及心脏、膀胱、肺、肠道和子宫等器官的收缩与舒张。鉴于其在维持正常生理功能中的重要性，当细胞收缩功能过度增强或受到干扰时，也可能驱动疾病进程。哮喘、高血压、早产、纤维化瘢痕以及膀胱活动低下等均为由机械因素驱动的疾病过程，若能有效调控细胞收缩力，这些疾病有望得到缓解。本文介绍了一种基于新型微孔板的收缩力检测技术——荧光标记弹性可收缩表面（FLECS），该技术可大规模、简便且直观地分析单细胞收缩功能。我们在此提供一个分步操作方案，仅使用一块FLECS检测微孔板，即可获得两条六点剂量-反应曲线，用以描述两种收缩抑制剂对原代人膀胱平滑肌细胞收缩作用的影响，从而向该方法的使用者展示正确的操作技术。借助FLECS技术，任何具备基础生物学实验室条件和荧光显微镜系统的科研人员均可研究这一基础但难以量化的细胞功能表型，显著降低了进入力学生物学及收缩性细胞力表型筛选领域的门槛。

引言

细胞产生的机械力对于机体多个器官（如肠道、膀胱、心脏等）的正常功能至关重要。这些器官必须产生稳定的细胞收缩与舒张模式，以维持体内的稳态。平滑肌细胞（SMC）的异常收缩可导致多种疾病的发生，例如以肠道平滑肌收缩模式异常为特征的肠动力障碍1，以及膀胱过度活动2或活动不足等泌尿系统疾病3。在气道中，收缩模式不规则的SMC可引发哮喘性高反应性4，可能导致气道狭窄，减少氧气向肺部的流通。另一种常见的生理疾病——高血压，则由血管内平滑肌收缩的波动引起5。显然，细胞和组织内的收缩机制异常可导致需要治疗干预的疾病。由于这些疾病明确源于细胞收缩功能的失调，在筛选潜在药物候选物时，直接测量细胞的收缩功能便成为合理且必要的手段。

鉴于研究细胞收缩力的工具需求，学术研究人员已开发出多种定量收缩力检测方法，包括牵引力显微镜技术（TFM）6、微图案化TFM7、悬浮凝胶检测8以及弹性微柱阵列检测9。这些技术已在众多研究中以单培养皿形式或多孔板形式使用，并且甚至已被提议用于三维力学测量10,11,12,13,14。尽管这些技术推动了细胞力学生物学这一广阔领域的开创性研究，但它们的应用在很大程度上局限于具备特定能力与资源的实验室，特别是：具备制备TFM基底的能力、能够正确应用复杂且不符合直觉的算法来解析TFM位移图，以及配备相对精密的显微系统，以准确对齐样本从载物台移除前后所采集的图像（用于细胞解离）。因此，对于未经专门训练的研究人员而言，应用这些技术所需满足的诸多条件使其入门门槛相当高。此外，许多现有技术所需的成像分辨率（40倍或更高倍数的物镜）会显著限制实验通量，而整体测量技术可能掩盖异常值细胞的贡献，从而阻碍对较微弱收缩差异的发现。值得注意的是，据作者所知，目前仅有通量较低且半定量的悬浮凝胶检测方法发展得较为成熟，已可供研究人员使用（参见 图1）。

细胞在荧光微图案上的收缩；显示黏附及随时间收缩过程的示意图。
图1：FLECS技术方法的整体示意图。（A）细胞黏附于共价嵌入玻璃支撑的薄弹性层中的黏附蛋白微图案。（B）不同可能微图案形状的俯视图，以及细胞收缩“X”形微图案的放大图。（C）荧光微图案与收缩细胞的相差图像的叠加图。（D）单个收缩细胞的时间序列图像。比例尺 = 25 µm。本图经Pushkarsky等15许可改编。请点击此处查看此图的放大版本。

随着微技术的最新进展，作者开发了一种基于微孔板的技术，可对数十万个细胞进行单细胞收缩的定量测量，该技术称为FLECS（荧光标记弹性可收缩表面）15,16,17,18,19,20，作为牵引力显微镜（TFM）的替代方法。在该方法中，荧光蛋白微图案被嵌入柔软的薄膜中，当细胞施加牵引力时，薄膜会发生形变和收缩，这一过程直观且可测量。重要的是，蛋白微图案可限制细胞的位置、形状和铺展面积，从而实现统一的测试条件。这使得仅通过测量其尺寸变化即可进行简单分析，即使在4倍放大倍数的图像中也具有很高的空间分辨率。该方法包含一个基于浏览器的图像分析模块，无需精细的操作步骤或标记参考点的配准，即可实现对收缩性细胞力的简便分析，因此任何具备基础细胞培养设施和低倍率（图2）荧光显微镜的研究人员均可操作。该技术已实现商品化并可直接使用，设计时充分考虑了终端用户需求，旨在降低实验室科研人员研究细胞力学生物学的入门门槛。

用于显微镜观察的24孔FLEX板细胞图案化；网格，荧光显微镜，细胞成像。
图2：单细胞收缩力检测所用24孔板示意图。 本研究中描述的实验及文章视频部分均采用此板型。比例尺 = 25 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

本研究中，我们介绍了一种利用FLECS技术平台的24孔板规格，定量分析力调节药物对原代膀胱平滑肌细胞收缩力影响的实验方案。该通用型实验方案可根据需要进行调整和修改，以适用于不同的时间尺度、细胞类型和处理条件，并可扩展用于解答力学生物学领域的其他问题。

方案

1. 第1天：24孔板的准备

  1. 首先将 20 mL 细胞培养基加入 50 mL 锥形管中。本实验使用含 10% 胎牛血清（FBS）的 F12 Ham's 培养基。
  2. 取一块用于检测细胞收缩力的 24 孔板。将移液器调至 500 µL，并准备用于细胞传代的细胞筛。
    注意：该 24 孔板可应要求向作者索取。
  3. 用一只手拿起并握住该孔板，轻轻从板顶部剥离塑料封膜，然后小心地将孔板放回原位。
  4. 打开真空吸液器，吸除各孔中上层的磷酸盐缓冲液（PBS），以防止溢出。每次吸除一行 PBS。当孔内液体不再完全充满时，用一只手握住孔板，小心吸除孔中剩余的 PBS，随后迅速加入 500 µL 细胞培养基。注意避免吸头接触孔底。
  5. 轻轻摇动孔板并轻敲侧面，确保孔底全部被液体覆盖。待所有孔均加满培养基后，将孔板置于一旁备用。

2. 第1天：细胞接种

  1. 从37 °C培养箱中取出传代7代或更低代次的原代人膀胱平滑肌（BSM）细胞培养瓶。在显微镜下检查细胞形态，确保细胞融合度达到至少90%但低于100%。
  2. 进行细胞解离操作。在无菌生物安全柜内，用胰蛋白酶消化细胞2.5分钟，直至细胞脱落，随后用含血清培养基（10% FBS）终止消化。
  3. 细胞解离后，使用血细胞计数板对细胞进行计数，并将细胞悬液用含血清培养基稀释至约50,000个细胞/mL。需要注意的是，细胞贴附于微图案时，培养基中血清浓度至少需维持在2%以上。
  4. 接种前，使用移液管将细胞悬液快速通过40 µm或100 µm细胞滤网，转移至50 mL锥形管中，以将细胞团块分散为单细胞。
  5. 使用P1000移液器，将50,000个细胞/mL的细胞悬液500 µL小心加入24孔板的每一孔中，沿孔内不同位置逐滴加入，确保分布均匀。
  6. 细胞接种后，将培养板置于室温静置1小时，使细胞在不受蒸发引起的微小液流干扰的情况下直接沉降并贴附于微图案上。1小时后，将培养板放入37 °C培养箱中过夜培养。在此期间，细胞将自发组装并沿黏附性微图案铺展，并开始产生基础收缩活动。

3. 第2天：添加待测药物

注意：含有贴壁细胞的孔中二甲基亚砜（DMSO）的最终浓度不得超过1%，且药物/DMSO不能直接加入细胞中，而应先稀释并混入细胞培养基的中间溶液中。

  1. 通过将30 µL的药物原液转移至连续的210 µL DMSO体积中，并在每次转移步骤之间充分混匀，制备六步八倍药物稀释系列。本研究中，在DMSO中制备了从40 µM到1 nM剂量范围的六步八倍稀释系列的blebbistatin。
  2. 对于每个药物原液（来自步骤3.1），将30 µL药物与470 µL细胞培养基混合。该中间溶液使DMSO稀释了16.7倍。
  3. 将每种中间溶液各200 µL转移至24孔板中相应的孔（每个孔中已含有100 µL培养基）。这将使DMSO进一步稀释六倍。
  4. 步骤3.2和3.3共同使孔中DMSO的最终浓度达到1%。
  5. 将处理后的培养板放入37 °C培养箱中孵育适当时间。本实验采用30分钟孵育。
  6. 成像前立即向每孔加入Hoechst 33342活细胞核染色溶液（最终稀释倍数为1:10,000）。孵育额外15分钟以标记细胞核。

4. 第2天：对孔板进行成像

  1. 使用配备可成像细胞核（DAPI）和微图案（TRITC）通道的显微镜。
  2. 首先对仅含DMSO的细胞进行成像。
  3. 然后聚焦并同时成像微图案和标记的细胞核，以识别单个细胞，并确保两个通道完全对齐，以便进行自动化的图像分析。
  4. 在每块板的24个孔中多个位置重复上述步骤。可使用4倍物镜（或可选更高倍数，以加快成像速度并每张图像获取最大数据点）进行成像。
  5. 将图像导出为TIF文件，并在连接网络的计算机上使用ImageJ打开，以分析数据。

5. 实验后：图像分析

注意：图像分析使用 Biodock.ai 平台和成像软件进行。

  1. 将获取的图像上传至计算机。
    1. 确保微图案图像和细胞核图像的对应配对文件已正确命名。
    2. 确保所有微图案图像的文件名均采用如下格式："sharedCoreName_pt.tif"。
    3. 确保所有细胞核图像的文件名均采用如下格式："sharedCoreName_dapi.tif"。
  2. 使用 ImageJ 将图像从 TIF 格式转换为 PNG 格式。
    1. 打开 ImageJ 后，逐通道加载图像。在本实验中，首先将微图案图像以图像栈的形式载入 ImageJ。
    2. 通过选择 Image > Adjust > Brightness/Contrast ，调整图像亮度以突出微图案，并将背景调至黑色。此外，对图像进行平滑处理。
    3. 通过选择 Image > Type > 8-bit ，将图像转换为 8 位图像。
    4. 然后将图像导出为 PNG 格式，并勾选“以切片层级作为文件名”选项。新建一个名为 PNGs 的文件夹，并将 PNG 文件以相同名称保存至该文件夹中。
    5. 对细胞核图像重复上述处理过程。
  3. 将 PNG 图像配对上传至图像处理软件进行分析。
    1. 创建并验证账户。作者已提供账户以便学术用户开放访问。
    2. 通过联系作者验证账户。
    3. 登录软件。
    4. 在左侧的 Data 选项卡下，点击 Upload Batch。
    5. 通过拖放方式将图像配对导入弹出的窗口中，并为该批次命名，点击 OK。
    6. 勾选批次名称旁的复选框，然后点击 Analyze。
    7. 在下一个界面中向下滚动，勾选 Contractility Analysis 旁的复选框，然后点击 Select。在页面下方的下拉菜单中选择成像时使用的放大倍数为 10x。
      1. 点击 Submit。当数据分析状态显示为 Completed 时，点击批次名称。在下一个界面中，点击页面右侧的 Download Data 。
        注意：下载的文件将包含被分析的图像、每幅图像平均收缩程度的汇总结果，以及对任意图像中检测到的每个微图案的详细分析，包括其尺寸、位置、黏附细胞数量和收缩情况。
      2. 绘制收缩值相对于药物浓度的曲线，生成浓度-反应曲线，并确定不同处理的相对效价。

结果

在图3中，并列展示了仅用DMSO处理的孔与用40 µM blebbistatin处理的孔所获得图像的区域。可以明显观察到，仅用DMSO处理的细胞表现出显著的收缩，这体现在贴附膀胱平滑肌细胞（BSMCs）的微图案发生了明显的形变。相反，在用40 µM blebbistatin处理的孔的图像中，可观察到明显的细胞松弛7，因为贴附了BSMCs的微图案在尺寸上几乎与未被细胞贴附的微图案无法区分，表明收缩程度极小。这些图像展示了荧光微图案方法对单细胞收缩力所提供的直观且清晰的可视化表征。与基于TFM的方法不同——后者依赖于分布在致密单层细胞下方的大量随机分布的荧光微球的全向运动来反映相对收缩力——本方法中微图案呈现出均匀且显著的收缩几何形态，能够立即提供关于单个细胞收缩状态的易于解读的定性信息。这些信息可通过在图像上应用标准的二值化对象操作直接进行量化。

荧光成像比较，左侧：DMSO，右侧：blebbistatin；细胞形态学分析。
图3：分别仅含1% DMSO处理（左侧）或含40 µM blebbistatin处理（右侧）孔中所拍摄图像的并列比较。 可以明显观察到，经blebbistatin处理后，单个细胞的收缩力显著降低，表现为更大且未收缩的微图案。蓝色细胞核指示哪些微图案被细胞占据。比例尺 = 25 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

通过应用基于浏览器的分析模块来分析微图案与细胞核的成对图像，可获得每个细胞群体的单细胞收缩力分布，如图4所示。该分析方法在先前关于FLECS方法学的报告中已有详细描述15，其原理是定位每个“X”形微图案的位置和方向，统计直接黏附在每个微图案中心的细胞核数量，计算每个微图案的平均长度，并根据空微图案的平均长度（零收缩参考）计算每个微图案收缩的像素距离。因此，空微图案在归一化收缩数据方面具有重要作用。重要的是，未结合到微图案上的细胞会因微电流作用而聚集在孔板边缘，从而不会影响图像分析结果。从这些图中可以看出，仅用DMSO作为对照处理的细胞群体其未受干扰的收缩力分布范围较广，最高可达20像素，中心值约为10像素。而经blebbistatin处理的细胞收缩显著减少，其分布中心下移至略高于6像素。重要的是，图像中每一个恰好结合了细胞的微图案均在这些分布图中有所体现。这展示了该方法传达细胞对药物处理差异性反应的能力。

细胞收缩力图表，DMSO和40μM Bleb处理细胞的微图形收缩直方图。
图4：来自仅含1% DMSO（蓝色）或40µM blebbistatin处理孔图像分析所得的单细胞收缩力数据直方图。 DMSO处理细胞的分布较宽，且其中心收缩值（约10像素）明显大于blebbistatin处理组的分布，表明blebbistatin处理对细胞收缩力具有定量效应。 请点击此处查看该图的放大版本。

通过利用单个24孔板上的所有孔，并对每孔至少成像3个位点，可同时生成两种药物化合物的六点剂量-反应曲线。 图5 显示了用相同剂量范围的blebbistatin或细胞松弛素D（均为已知的收缩力抑制剂）处理BSMCs后的浓度-反应数据。从浓度-反应曲线可以明显看出，细胞松弛素D对这些细胞的张力性收缩具有更强的抑制效力。通过对数据点拟合S形曲线，得到IC50 可为每种药物计算相应的值。我们的实验结果表明，IC50 是 7.9 µM 分别用 100 nM 的 blebbistatin 和 cytochalasin D 处理约 30 分钟后。重要的是，总体而言，这些数值与先前的报道一致, 验证定量方法测定收缩抑制剂效价的准确性7,21.

6点剂量反应曲线；收缩力 vs. 浓度（µM）；Blebbistatin 和 Cytochalasin D。
图5：Blebbistatin 和 Cytochalasin D 对单细胞细胞收缩力影响的浓度-反应曲线。 每个数据点包含该条件下三张图像。每组数据均拟合为S形曲线。结果表明，Cytochalasin D 的作用更强，其IC50值更低。该数据可从单个24孔FLECS板中获得。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

这种简化方法能够在不同处理条件下，利用常规显微镜设备同时对数十万个细胞的收缩进行定量测量，为研究人员研究细胞力学生物学提供了易于获取的替代传统牵引力显微镜（TFM）的技术方案。由于该技术通过分析规则形状的荧光微图案的变化来直观显示细胞收缩情况，因此可直观理解任意单个细胞所产生的收缩程度——微图案越小，表明细胞施加的收缩力越大。

值得注意的是，该技术通过控制微图案的形状、铺展面积以及黏附分子等已知调控细胞收缩力的因素22,23,24，系统性地消除了可能干扰细胞收缩研究结果解释的其他变量。

在本实验中，凝胶使用了10 kPa的刚度，微图形（对角线长度70 µm）由IV型胶原蛋白构成。除这些参数外，黏附分子可替换为多种胶原蛋白、纤连蛋白、明胶及其他细胞外基质（ECM）。凝胶的刚度可调节至低至0.1 kPa，高至MPa范围。微图形的几何形状可从头设计成任意形状，最小特征尺寸约为5 µm。这些参数相互独立，可根据特定的生物学背景分别优化。

该技术已得到广泛验证，可兼容具有间充质表型的高黏附性和收缩性细胞类型，包括多种平滑肌细胞（原代人膀胱、肠、气管、支气管、子宫、主动脉和动脉来源）、间充质干细胞及其分化后代、多种成纤维细胞（肺、皮肤和心脏来源）、肌成纤维细胞以及内皮细胞。此外，单核细胞来源的巨噬细胞在微图案上也会产生显著可测的吞噬力，尤其是当微图案含有已知的调理素时。该方法也可用于检测多种癌细胞系。

该方法在用于相对较小的细胞（如T细胞和中性粒细胞）或主要具有上皮表型的细胞类型时，可能会面临一些挑战。其主要原因是，该方法依赖于细胞在微图案上的牢固黏附和 充分铺展，以产生可测量的收缩信号。黏附较弱、相互聚集或未能充分铺展的细胞将无法产生可测量的收缩信号。这些情况相对少见，可通过减小微图案尺寸，或在微图案中使用其他更有利于促进这些细胞黏附和铺展的黏附分子来加以改善。

使用该技术的研究人员必须针对其特定的目标细胞类型仔细评估不同的细胞培养基配方，因为不同成分、生长因子、血清水平和pH敏感性可能会导致不同细胞表现出差异性行为。在扩大任何实验工作流程之前，应首先优化实验方案，并且培养基组分应始终保持新鲜、无菌，并与之前批次保持一致。

最终，如果用户的研究目标不需要单细胞分辨率，或者目标细胞类型的铺展能力有限，则传统的牵引力显微镜技术（TFM）可能同样甚至更适用于此类实验。作者的目标和期望是，该工具能为细胞生物学家研究细胞收缩提供一条新的途径，特别是在自动化高通量表型药物筛选的背景下。

针对未来的药物筛选应用，可使用通量更高的培养板，例如384孔FLECS板。在此类培养板中，许多显微镜的4倍物镜即可在其视场内完整捕获单个孔，从而确保记录到所有细胞的收缩反应。通过使用高通量成像系统，可在约5分钟内完成对整块384孔板的成像，使该系统显著快于其他可选方案，因此适用于高通量表型药物筛选。事实上，作者常规使用自动化系统每周进行约50块384孔板（总计超过19,000个孔）的药物筛选。

披露

I.P. 是一项已授权专利家族的发明人，该专利家族保护FLECS技术的方法与系统。I.P.、Y.W.、J.Z.、E.C. 和 R.H. 均为Forcyte Biotechnologies, Inc. 的员工。R.D. 是加州大学洛杉矶分校（UCLA）的教授，同时也是Forcyte Biotechnologies, Inc. 的联合创始人。I.P.、Y.W.、J.Z. 和 R.D. 均持有Forcyte Biotechnologies, Inc. 的财务权益，该公司是上述专利的独家被许可方，并正在将FLECS技术商业化。

致谢

本实验工作在加州大学洛杉矶分校分子共享筛选资源中心（MSSR）的支持下完成，其中 Forcyte 公司资助了相关研究活动；同时也在加利福尼亚纳米系统研究所（CNSI）的 Magnify 孵化器中进行，Forcyte Biotechnologies, Inc. 是该孵化器的入驻企业。作者将根据请求向所有学术研究人员开放 Biodock.ai FLECS 分析模块的使用权限。L.H. 和 I.P. 对本研究贡献相同。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
膀胱平滑肌细胞培养Sciencell#4310
布雷比斯坦Sigma-AldrichB0560
细胞培养基Thermofisher11765054添加10% FBS 和1% p/s的Ham's F12培养基
细胞筛Fisher Scientific7201432
锥形管Fisher Scientific05-539-13
培养瓶Fisher Scientific FB012941
细胞松弛素DSigma-AldrichC8273
DMSO（二甲基亚砜）Fisher ScientificD1284
微量离心管Fisher Scientific05-402-31
荧光显微镜Molecular DevicesImageXpress Confocal
Forcyte公司生产的24孔板Forcyte Biotechnologies24-HC4R-X1-QB12
Hoescht 3342活细胞核染色剂Thermofisher62249
磷酸盐缓冲液（PBS）Fisher ScientificBP39920

参考文献

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