罗氏xCELLigence：非标记 动态实时细胞分析检测技术[新品推荐]

罗氏供稿 生物通翻译 一种无需标记、可对细胞进行全程实时监测的新型细胞分析平台，避免传统终点检测的弊端

      当前，大部分传统的细胞检测方法采用的是终点法----仅仅给实验定格了一个最终结果，而且经常需要标记和破坏细胞。这就是目前细胞分析方法的最大限制，因为细胞是活体，其生物学和细胞进程是动态而非静态的。因此，为了更充分的了解和测量生物学和细胞进程，应当使用一种非侵入性的系统，来记录细胞应答某些刺激(如药物处理或某种生长因子刺激)时所产生的动态变化。

 

    随着电子技术在生物学研究领域的拓展应用，传感器阻抗技术在细胞分析中的应用具有其特有的优势。第一个也是最重要的，细胞传感器阻抗为整个实验全程包括细胞粘附、增殖和融合提供了全程无损伤性的细胞监控。实时的监控为同一个实验中和不同实验间的细胞提供了出色的质量控制。另外，因为有了实时、连续显示的数据，就可以更自信地操作和处理细胞，而不是假定细胞处于合适的处理阶段。有了阻抗读数以及实时获取和显示的数据的特性，每一步处理结果都可以通过机理来预测。最后，因为读数是非损伤性的，传统的终点分析仍然可以继续结合阻抗读数来决定进行传统终点分析的最佳时间点。

 

    作为无标记生物检测技术领域的一项创新，罗氏应用科学部的xCELLigence系统提供这样一种无需标记、同时又可对细胞进行实时监测的新型细胞分析平台。xCELLigenc系统利用检测电子传感器阻抗变化以反映细胞生理状态，从而对细胞进行无损伤地实时定量检测。细胞接种在96微孔E-plate中，在每个孔的底部有嵌入的微电子感应器。使用低电压（20mV）交流电在孔内产生一个离子环境，就能反映出孔内的细胞数量、细胞形态和细胞粘附的强度等多种细胞生理状态（图1）。目前已经开发了一系列基于xCELLigence系统的细胞分析研究应用领域，包括：

n         细胞质量控制

n         细胞增殖

n         化合物介导的、细胞介导的和病毒介导的细胞毒性分析

n         屏障功能

n         细胞粘附和细胞伸展

n         受体介导的信号通路         索取更多的xCELLigence产品信息

 

   

 

Figure 1: Schematic drawing of the interdigitated microelectrodes on the bottom of each well of the E-Plates. The interaction of adherent mammalian cells with the microelectrodes generates a cell-substrate impedance response that is proportional to the number of cells seeded in the wells, the morphology of the cells and the quality of cell attachment. The signal generated is displayed by the arbitrary unit of cell index (CI).

 

    为了展示xCELLigence系统在细胞分析方面的功能，以下就其几个方面的突出应用做简要介绍。

 

细胞增殖和毒性的动态监控
    利用多种癌症细胞系模型进行的细胞增殖分析是评估不同抗癌化合物的效能的基础分析方法之一。xCELLigence系统可用来定量和动态地检测细胞增殖和细胞毒性。每种细胞都有独特的增殖曲线，增殖曲线取决于接种密度。这个独特的生长曲线可作为细胞系质量控制的测量，来确保同一实验和不同实验间的一致性（图2a）。

 

    另外，实时的增殖数据可以指示和帮助确定每个特定细胞系的最佳处理时间段。为了展示xCELLigence系统对细胞毒性的分析功能，H460细胞接种在微孔板中，并利用xCELLigence系统来持续实时监测。在接种30个小时后，细胞分别用不同剂量的一种已知的、具有细胞毒性的蛋白酶体抑制剂MG132来处理。细胞被持续不间断地检测了45个小时。正如图2b所示，xCELLigence系统的实时数据可用来评价重要的参数，比如细胞毒性的速率和发生时间以及计算时间依赖的IC50。例如，在MG132介导的细胞毒性分析中，在三个特定的时间点计算IC50数据（图2c），清楚地显示了IC50会随时间而变化。这些结果表明不仅在优化化合物处理时间上要小心谨慎，同样在确定评估化合物功能的最佳时间上也要注意。除了化合物介导的细胞毒性，xCELLigence系统也同样可应用于细胞介导以及病毒介导的细胞毒性分析。

Figure 2: (a) Dynamic proliferation curves for NIH3T3 and HT1080 cells seeded at 10,000 cells per well. Each cell line displays very distinct features: 1. cell attachment and spreading phase, 2. characteristic lag phase unique to each cell line, 3. logarithmic growth phase, and 4. confluent phase. (b) Dynamics monitoring of A549 cells treated with the proteasome inhibitor MG132 as monitored by the xCELLigence system.(c) Determination of IC50 values at three different time points after MG132 treatment

 

受体活性的功能监测
     G蛋白偶联受体（GPCR）是药物研发的重要靶点，市场上大约50%的药物都是针对GPCR的。已知GPCR会调节肌动蛋白细胞骨架，因此可以利用这个信息来作为GPCR活性的功能和生物相关的参照。如图3a所示，表达人H1组胺受体的CHO-K1细胞接种在E微孔板中，并用组胺刺激。组胺诱导产生了一个与肌动蛋白细胞骨架重排相关的瞬时的细胞信号（图3b）。对组胺浓度取对数与最大细胞反应做图，就产生了一个EC50值的剂量应答曲线（图3c）。xCELLigence系统对于GPCR分析最大的贡献有几部分：首先，因为读数是非损伤性的，细胞可以在多个时间点进行刺激评估脱敏作用和其他受体类型的干扰。第二，除了偶联Gq亚家族G蛋白的组胺受体，表达其他偶联Gs和Gi受体的细胞也可以用xCELLigence系统来监测。以前进行不同信号通路的GPCR分析需要几个不同的仪器。第三也是最重要的，表达内源GPCR的细胞包括原代细胞也可以用xCELLigence系统来分析，无需过表达外源GPCR或改造细胞表达多种GPCR。这样就可以真实评估生理条件适当的细胞类型的受体。除了GPCR，其他重要药物靶点的受体类型，比如酪氨酸激酶受体，也可以通过xCELLigence系统来进行细胞功能的分析。

 

Figure 3: Functional monitoring of GPCR activation. (a) CHO-K1 cells expressing the histamine H1 receptor were seeded in E-Plates and continuously monitored. At the indicated time point the cells were treated with 100 nM histamine and the dynamic cellular response was monitored every second minute using the xCELLigence system. (b) CHO-K1 cells expressing the histamine H1 receptor were seeded in 16-well chamber slides and treated with 100 nM histamine at the same time as cells in part (a). The cells were fixed after 15 minutes and stained with FITC-Phalloidin to stain the actin cytoskeleton. The cells were photographed using a fluorescence microscope connected to a CCD camera. (c) Dose-response curve of histamine using the xCELLigence system.

 

细胞粘附与伸展
    细胞粘附是多个生理学和病理学进程的重要组成部分，例如伤口愈合、炎症、血管生成和癌症。细胞与不同生物表面的相互作用以及粘附是一个动态的综合的过程，需要特殊细胞表面受体、结构蛋白、信号蛋白和细胞内的细胞骨架的参与。为了展示xCELLigence系统在动态监测细胞粘附上的作用，E-plate孔中包被了浓度递增的胞外基质蛋白，纤连蛋白。另一些孔中包被了牛血清白蛋白（BSA）作为对照。将经过血清饥饿处理和温和胰酶处理的COS-7细胞加入这些包被过的孔中，用xCELLigence系统连续监测细胞粘附和细胞伸展的过程（图 4）。浓度递增的纤连蛋白使细胞指数增加，而BSA则不支持细胞的粘附与伸展。因此，xCELLigence系统可以用来评估细胞骨架药物、酶和信号蛋白抑制剂、生理上干扰或阻碍细胞粘附与伸展或干扰下游信号通路的药剂的功效。

 

 

Figure 4: Microelectrode sensors in the bottom of the E-plates were coated with increasing concentrations of fibronectin, ranging from 0 μg/ml to 20 μg/ml. Serumstarved NIH3T3 cells were detached and then applied onto the sensors. The attachment and spreading of the cells were monitored by the xCELLigenc

 

      以上一些关键的重要的观察数据的提供，展示了xCELLigence系统在定量的、非入侵性的、实时细胞分析上的作用。非标记技术、非损伤性的读数以及动力学的结合最大程度地获得高信息量和高内涵的数据，让使用者们对他们的分析以及分析数据的质量做出很好的判断。xCELLigence系统提供的时间分辨可以作为一个重要的工具来更好的完善分子实验譬如基因表达图谱，我们期待这些技术在未来的整合。

 

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关于罗氏应用科学部
     罗氏的诊断部门在成功收购德国宝灵曼公司（Boehringer Mannheim GmbH.）后，成立了专业服务于科学研究领域用户的罗氏应用科学部（Roche Applied Science），凭借半个多世纪在生命科学研究领域积累的经验，罗氏应用科学部已成为在此领域中具领先地位的试剂及系统供应商之一。从耗时少的，全自动的样本制备系统（MagNA Lyser 和MagNA Pure），到快速精准的卡盘式LightCycler®1.5/2.0和模块式高通量LightCycler®480系列荧光定量PCR仪，以及创新的超高通量基因组测序系统Genome Sequencer FLX Systemhe和NimbleGEN高密度DNA芯片，罗氏应用科学部研究和开发了多种应用于分子生物学相关研究领域的产品――广泛地应用在基因组学和蛋白组学研究中；同时罗氏应用科学部也提供用于生物医药和诊断行业方面的试剂，为用户需求提供完整的解决方案。（编译 生物通余亮 校对 吴青 ）