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講座:單細胞顯微操作技術實現自動化、高通量單細胞力譜測量

發布時間: 2022-05-22  點擊次數: 1619次

[報告簡介]


單細胞粘附力作為生物機械學分支的重要組成部分,是細胞與外周相互作用的直觀體現,能夠有效的反映出細胞與基質或細胞之間相互作用能力。細胞與基質之間的作用力十分微小,一般都在nN級別,過去通常使用原子力顯微鏡才能夠進行精確測量。但是原子力顯微鏡方案往往具有通量低,操作繁瑣等問題,使得單細胞力譜的研究非常繁瑣。

 

基于此,Cytosurge推出的全新多功能單細胞顯微操作FluidFM技術給細胞力譜測量帶來了新的希望。該技術結合了原子力顯微鏡探測技術與微流體控制系統,能夠直接通過使用中空的原子力探針將細胞通過負壓抓取在探針表面,并不需要激活細胞的任何通路信號,為粘附力的測量帶來了很大的優勢。一方面,這種方法能夠提供遠比蛋白結合牢固的多的粘附力,能夠將細胞牢固的固定在探針上并且無需包被探針。另一方面,由于沒有生物化學處理,這種方法不會改變任何細胞表面的通路,從而能夠得到接近細胞原生的數據。該系統具備高度自動化,能夠快速,全自動的完成力學的測定,讓單細胞力譜研究變得十分容易。

 

本報告將介紹FluidFM單細胞顯微操作技術的原理和發展,并結合多篇發表在期刊Nature、Cell、Bioactive Materials等上的最近科研成果,深入闡述這種技術在單細胞力譜測量方面的新進展。

 

[直播入口]


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[報告時間]


05月25日 下午15:00-16:00

 

[主講人介紹]

 

Tamás Gerecsei 亞太區首·席應用科學家,高級FluidFM解決方案工程師,Cytosurge AG

Tamás是一位生物物理學家,畢業于Etvs Loránd(ELTE羅蘭大學)。 在與FluidFM在學術環境中合作多年后,他加入了Cytosurge公司,成為了一名訓練有素的微納米系統工程師。在Cytosurge AG,Tamás不斷推動并拓展FluidFM技術的應用邊界,并使FluidFM技術應用于各地研究人員的課題中。您可以經常發現他在各種專業的學術會議上傳播關于Cytosurge和FluidFM技術的信息。

 

 

郭亞茹 

北京大學口腔醫院,國家口腔醫學中心,獲中國博士后科學基金,并入選北京大學醫學部 2021年博雅博士后項目,在Advanced functional materials、Bioactive Materials、Journal of dental research等雜志上以第一作者或共同第一作者的身份發表5篇。

 

2021年,在Bioactive Materials發表了題為:Matrix stiffness modulates tip cell formation through the p-PXN-Rac1-YAP signaling axis的研究文章,報道了基質硬度通過p-PXN-Rac1-YAP信號軸調節尖端細胞形成,這項工作不僅有助于在組織工程和再生醫學中尋找最佳材料,也為腫瘤治療和病理性血管再生提供了新的治療策略。在生物材料設計和治療一些病理情況方面具有特殊意義。本實驗研究人員采用了多功能單細胞顯微操作系統——FluidFM技術,實現了單個細胞的分離,單個細胞粘附力的測量。

 


 


[原理&應用簡介]


FluidFM技術如何測定細胞粘附力?


眾·所周知,細胞在基質上進行單層培養時,吸附在基質表面時主要會產生兩種不同類型的力,一種是細胞與基質之間的粘附力,另一種是細胞與細胞之間的粘附力。因此對于細胞粘附力來說,單個細胞的粘附力就是細胞與基質之間的作用力。而單層細胞的細胞粘附力則是細胞之間相互作用力和細胞基質與細胞之間作用力之和。如下圖所示:

 

 

 

因此只要同時測定單個細胞粘附力即可得到細胞與基質之間的相互作用力,而細胞間的相互作用力則可以通過同時測量單層細胞的細胞粘附力和單個細胞的粘附力做差得到,如下公式所示:

 

Force cell-cell ≌ Force Monolayer – Force Indiv.cell

 

FluidFM測量力學步驟與一般的原子力顯微鏡十分類似,但是操作卻遠比原子力顯微鏡簡單,這得益于FluidFM獨·有的中空探針。這種探針無需像普通原子力探針一樣對探針進行修飾或者將細胞提前粘連在探針上,可以直接在液體中原位抓取細胞,完成粘附力測定,并且在測量后探針仍然可以繼續進行測試,并且無需對探針進行更換或再修飾。

 

 

FluidFM技術測量單細胞力譜的基本流程。

僅需操作鼠標系統即可自動完成對細胞的抓取和粘附力的測量。

 

此外FluidFM系統會自動記錄探針運動軌跡和力學曲線,如上圖中所示當探針開始靠近細胞后,探針表面開始出現壓力變化,當系統達到設定力學值后系統會自動停止下降并開始施加負壓抓住細胞。隨著探針開始上升,細胞給予探針的拉力隨之增高,并逐漸達到臨界,隨后細胞脫離基質,探針受力趨近于零,而這一過程中探針受力的最大值即為細胞粘附力。

 

 

FluidFM技術測量HeLa細胞核CHO細胞的粘附力。

能夠高通量測量單細胞粘附力譜


FluidFM測量粘附力十分智能化,僅需5分鐘即可完成單個細胞的粘附力測定,一天可完成上百個細胞的測量,能夠大幅度提升單細胞力譜測量的通量,讓單細胞力譜研究變得簡單、快速、高通量。

 

應用舉例一:FluidFM技術測定衰老內皮細胞的力譜


內皮細胞衰老導致細胞表型的改變與心血管疾病有著密切關系。隨著細胞的衰老,細胞的粘附力等機械屬性會有很大改變,因此對于細胞粘附力的研究將有助于理解細胞衰老的變化。Nafsika Chala等人利用FluidFM技術對血管內皮細胞與基底之間的粘附力進行研究發現,衰老的細胞與正常細胞存在著nN級別粘附力差異。如下圖所示:

 

 

FluidFM技術用于衰老與正常細胞的單細胞粘附力測定。

對比衰老小、大和正常細胞的細胞尺寸(a)、細胞粘附力(b)和細胞周長(c)及單細胞粘附力/面積(e)和單細胞粘附力/周長(f)的變化。


研究者認為,衰老內皮細胞的粘附力增加是與細胞的粘著斑增加有關,表明衰老細胞能夠加強與基質的相互作用從而防止內皮剝脫,但是受制于血流的影響這種能力受到了很大限制。

 

應用舉例二:FluidFM揭示應力依賴性酵母交配中的分子相互作用

 

性凝集素是芽殖酵母釀酒酵母介導細胞聚集交配的關鍵蛋白。交配細胞表達的互補凝集素類“a”型和“α”型的結合是促進細胞的凝集和融合的關鍵。Marion Mathelié-Guinlet等通過測量“a”型和“α”型結合的單個特定鍵的強度(~100 pN),發現延長細胞間的接觸能夠大大地增加了交配細胞間的粘附力,而這種增強可能是由于凝集素的表達。

 

 

FluidFM技術用于酵母屬間交配過程單細胞力譜測量。

MATa與MATα相互作用的示意圖(a)和Fluid測量細胞間相互作用示意圖(b)及測量結果(c);用DTT和DEPC藥物刺激研究二硫鍵和His273對粘附的影響(d)、其示機制意圖(e)和無粘附、DTT和DEPC粘附發生的概率(f);以及物理應力增強MATa和MATα細胞之間的粘合力(g)、發生頻率(h)及破裂長度(i)。

 

此外,研究組發現凝集素二硫鍵在粘附過程中起到了關鍵作用,而這一作用主要來自于α-凝集素的組氨酸殘基His273。更為有趣的是,作者發現機械張力增強了相互作用的強度,這可能是由于激誘導凝集素構象從弱結合折疊狀態轉換成強綁定伸展狀態導致。這項研究很好地展現了一種理解控制酵母性別的復雜機制的可能方法。

 

總結


        細胞粘附力測定在細胞生命科學研究中起著至關重要的作用,然而傳統手段中有著各種各樣的局限性,主要原因是缺乏一種能夠有效抓取細胞并進行力學測定的手段?,F如今FluidFM技術在細胞粘附力測定中的使用,使得研究者們有了一種能夠有效、低損的方式抓取細胞,配合原子力顯微鏡的精確測量的特性,真正意義上做到精準、無損、快速的測量單細胞粘附力,幫助研究者尋找細胞粘附力與細胞生命發展、腫瘤細胞轉移之間的關系。

 

相關產品:

1、多功能單細胞顯微操作系統- FluidFM OMNIUM

https://www.chem17.com/product/detail/30207534.html

 

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