介电电泳助力立克次氏体感染诊断：挖掘细胞 “电信号”，开辟诊断新路径

为解决立克次氏体疾病检测难题，西弗吉尼亚大学的研究人员开展利用介电电泳（DEP）检测感染细胞的研究。结果发现健康与感染 Vero 细胞电学参数有显著差异，这为开发快速、低成本诊断工具提供可能，值得科研读者一读。

　　

在神秘的微生物世界里，有一种叫立克次氏体（Rickettsia）的细菌，它可是个 “小麻烦精”。立克次氏体是一类存在于蜱虫、虱子、跳蚤等小动物身上的细胞内寄生菌，悄无声息地通过这些小动物的叮咬或粪便传播给人类。一旦进入人体，它就开始捣乱，引发像发热、头痛、皮疹、肌肉酸痛等一系列让人难受的症状。要是不幸患上由它引起的落基山斑疹热（Rocky Mountain Spotted Fever，RMSF），那可就更糟糕了。

在美国，落基山斑疹热的发病情况不容小觑。2019 年就有超过 5000 例病例被报道，虽说比起 2017 年超过 6000 例的高峰稍有下降，但从 2000 年到 2017 年，所有立克次氏体疾病的发病率可是在稳步上升呢。不同年龄段的人感染后的情况也不一样，40 岁以上的人更容易中招，而 10 岁以下的儿童一旦感染，死亡风险就比较高。2019 年，60 岁及以上的人群中患斑疹热立克次氏体病（Spotted Fever Rickettsioses，SFR）的人数是最多的。虽说因为四环素类抗生素的出现，落基山斑疹热的死亡率在过去一个世纪大幅下降，但如果得不到及时治疗，死亡率还是能高达 30% 。

目前，检测立克次氏体疾病的方法可有点让人头疼。常用的分子方法，比如聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）测试，虽然能快速检测出病原体，可实验室设备的成本高得吓人，维护起来也麻烦，在一些地方根本没法用。血清学技术，像间接免疫荧光抗体（Indirect Immunofluorescence Antibody，IFA）检测，得要恢复期和急性期的样本才能确诊疾病。可在症状出现的第一周，患者最需要诊断和治疗的时候，这个方法大概率会给出阴性结果；等过了第一周，患者都开始恢复了，也就不需要诊断了，这就很容易耽误病情。而且，很多时候在诊断之前就开始用抗生素治疗了，这又降低了检测的灵敏度，让检测变得难上加难。所以，开发一种更好的检测方法迫在眉睫。

为了解决这个难题，来自西弗吉尼亚大学（West Virginia University）的 Negar Farhang Doost 等人，在《Journal of Biological Engineering》期刊上发表了一篇名为 “Bioelectric profiling of Rickettsia montanensis in Vero cells utilizing dielectrophoresis” 的论文。他们发现，利用介电电泳（Dielectrophoresis，DEP）技术，能在感染立克次氏体的细胞和健康细胞之间找到明显差异，这有望成为一种快速、经济、无标记且灵敏的即时诊断工具，给立克次氏体疾病的检测带来新的希望。

介电电泳技术就像是细胞的 “电魔法”。当细胞处于不均匀的电场中时，不同细胞会因为自身电学性质的差异而表现出不同的行为，就好像每个细胞都有自己独特的 “电指纹”。通过观察细胞在电场中的这些反应，研究人员就能测量出细胞膜电容、电导率和细胞质电导率等电学特性，进而对细胞进行分析。这种技术可以对生物样本进行操控、富集、分离和分析，而且不会伤害细胞，还能快速得出结果。

研究人员在开展这项研究时，用到了几个关键技术方法。首先是细胞培养和样本制备技术，他们选用非洲绿猴肾上皮细胞（Vero 细胞）作为立克次氏体的宿主细胞，在特定条件下培养 Vero 细胞和感染了蒙大拿立克次氏体（Rickettsia montanensis）的 Vero 细胞，等细胞达到一定状态后，用胰蛋白酶 - EDTA 溶液处理，让细胞从培养容器上脱离下来，再经过离心、清洗等步骤，得到用于实验的细胞悬液。其次，利用介电电泳实验技术，他们精心配制了不同电导率的介电电泳悬浮介质，把细胞悬液注入 3DEP 芯片，在特定的电压和频率条件下，通过 3DEP 分析仪观察细胞在电场中的行为。最后，通过透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）技术，研究人员给健康和感染的 Vero 细胞拍 “电镜照片”，测量细胞的直径和膜厚度等参数。

下面我们来看看研究的具体结果。

1. 透射电子显微镜分析：研究人员用透射电子显微镜给健康和感染的 Vero 细胞拍了 “特写”。从照片里能清楚地看到，感染的细胞里有立克次氏体在捣乱。经过测量，健康 Vero 细胞的直径是 6.65μm，感染后的细胞直径变成了 11.11μm ，这明显是被感染后细胞 “发胖” 了。原来是细菌在细胞质里大量积累，让细胞肿了起来，同时感染带来的细胞压力、细胞骨架变化和细胞膜重塑等也在 “助力” 细胞变大。不过有趣的是，虽然细胞直径变化明显，但健康细胞和感染细胞的膜厚度分别是 16nm 和 18nm，统计分析后发现两者并没有显著差异。
2. 使用单壳介电模型的生物电特征：研究人员用 3DEP 分析仪，给细胞施加不均匀电场，分析不同频率下细胞的电学特性。他们发现，健康 Vero 细胞的膜折叠因子比较高，这可能和微绒毛比较长有关；而感染后的细胞，膜折叠因子下降了，这是因为感染后细胞变大、表面积增加，微绒毛数量变多但长度和尺寸变小，还出现了褶皱膜包裹细菌的情况，这些都让膜折叠因子降了下来。

研究人员还在不同电导率的悬浮介质里做实验，发现当介质电导率是 500μS/cm 时，健康细胞和感染细胞的第一和第二交叉频率（在这个频率下，介电电泳力为零，细胞的运动方向会发生改变）有显著差异。通过统计分析，他们还发现，在 500μS/cm 电导率下，健康细胞和感染细胞的细胞质电导率和比膜电容也有明显不同。这就好比健康细胞和感染细胞在这个 “电环境” 里，发出了不一样的 “电信号”。

综合研究结果和讨论，这项研究意义重大。落基山斑疹热这类由立克次氏体引起的疾病，如果不能及时发现并治疗，会给患者带来严重后果。以前的检测方法有各种缺点，而介电电泳技术的出现，就像是黑暗里的一道光。通过分析健康 Vero 细胞和感染蒙大拿立克次氏体的 Vero 细胞的电学特性，研究人员发现两者在很多方面都存在显著差异，尤其是在介质电导率为 500μS/cm 时，这些差异可以作为生物标记。这意味着，以后或许可以利用这些差异，开发出基于微流控芯片的即时诊断工具，不用再依赖那些又贵又麻烦的传统方法，就能快速、灵敏、无标记地检测出立克次氏体感染，特别是在疾病早期。

而且，研究人员后续还打算分析更多立克次氏体菌株和不同感染阶段的细胞，用更复杂的双壳介电模型来优化实验数据拟合，进一步提高诊断工具的灵敏度和特异性。这一研究成果为立克次氏体疾病的诊断带来了新的方向，有望改变目前的诊断现状，让更多患者能及时得到准确诊断和治疗，尤其是在医疗资源有限的地区，给人们的健康带来新的保障。