掌握机械测量技术

《ACS Sensors》：Mastering Mechanical Measurements

总结Jochen Guck教授在细胞机械特性检测领域的研究，包括光学拉伸器与实时变形性细胞计术（RT-DC）的开发，及其在癌症诊断和高效高通量检测中的应用。

　　

得知约亨·古克（Jochen Guck）教授突然离世，我感到非常震惊和悲痛。虽然我从未有机会与他当面交流，只是曾在几次会议上听过他的演讲，但他的研究对我的团队近期的大部分研究工作产生了深远的影响。我最初是在他攻读博士学位期间了解到他的。2001年，他在德克萨斯大学奥斯汀分校与约瑟夫·卡斯（Josef K?s）合作时，引入了“光学拉伸器”（optical stretcher）——一种能够捕获和操控细胞的双光束光学陷阱。（1）虽然多年前就有人描述过使用双光束光学陷阱捕获微观物体（尤其是亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin）的研究），但利用光学力来改变或拉伸细胞等介电生物样本的方法尚未得到充分探索。由于细胞的机械性能主要由其内部的细胞骨架（由相互连接的微丝和微管构成）决定，因此可以合理推测，细胞机械性能的变化可能与细胞状态的变化有关。因此，能够准确测量单个细胞的变形程度为理解人体生理学和疾病提供了新的途径。这一创新的重要性立刻被许多生物学家和临床医生所认识。简而言之，光学拉伸器实现了对悬浮状态下单个细胞的无接触、无损测量，从而证实了细胞的变形能力是一种敏感的机械标志物或传感器，可以用来区分不同类型的细胞和表型。后来，在莱比锡大学和剑桥大学卡文迪许实验室独立从事学术研究期间，约亨开始探索细胞变形能力的诊断潜力，证明通过光学拉伸进行机械表型分析可以作为一种无需标记的方法来区分和分类癌细胞。（2） 在2012年约亨转到德累斯顿工业大学担任“细胞机器”研究方向教授，并随后被任命为埃尔朗根马克斯普朗克光科学研究所和马克斯普朗克物理与医学中心的主任后，他的研究工作取得了显著进展。其中特别值得关注的是他对高通量机械表型分析工具的开发。尽管许多人已经认识到将细胞的机械变化与人体生理学和疾病联系起来的重要性，但当时现有的测量技术（包括光学拉伸器）的分析效率极低，通常每分钟只能分析一个细胞。因此，尽管可以测量少量单个细胞的机械性能，但在实际应用中，对包含数千甚至数百万个细胞的样本进行全面筛查几乎是不可能的，这严重阻碍了研究成果的临床转化。为了解决这一限制并展示细胞变形能力作为诊断工具的潜力，古克团队开发了实时变形细胞测量技术（RT-DC），该技术能够在短时间内对大量细胞进行机械特性分析。（3）在RT-DC中，细胞通过微流控通道的狭窄部分移动，并受到剪切应力和压力梯度的作用而发生变形；鞘流用于将细胞在通道内横向定位，惯性升力则用于使其垂直居中，从而确保细胞始终处于焦点位置且不会与通道壁接触。通过实时成像和图像分析即可轻松测量细胞的变形程度，分析效率可达每分钟1万个细胞。在后续几年中，基于微流控技术的其他变形细胞测量方法（如cDC、xDC和vDC）（后者由我在苏黎世联邦理工学院的团队最新开发）进一步巩固了高通量机械表型分析作为强大诊断工具的地位，使生物学家能够在生物实验室和临床环境中更全面地理解各种生理和病理过程。不可否认，约亨早期就意识到测量细胞的（光学）变形能力是判断细胞状态和健康状况的重要指标，这为单细胞机械表型分析领域奠定了重要基础，也是一位富有远见的科学家的宝贵遗产。 这篇悼文的主要目的是纪念和认可约亨对测量科学的贡献，同时也强调了在研究生物样本时选择合适检测方法的重要性。例如，基于荧光的技术在生物分析、疾病诊断、活细胞成像和环境监测中应用最为广泛。发射光谱技术具有极高的灵敏度和选择性，非常适合用于检测现代传感科学中常见的微量样本和低浓度分析物。然而，基于荧光的方法提供的信息通常较为有限（主要局限于浓度数据），且通常需要使用标记试剂。因此，扩展检测工具箱，开发一套更全面、更集成化的技术，以快速、无损地从复杂样本中提取化学和生物学信息，成为当务之急。在这方面，使用无标记成像技术（如变形细胞测量中的技术）显然能够提升信息量和质量，通过测量细胞的大小、形状、形态和变形程度，为检测结果提供更多维度。这些综合方法产生的丰富数据，结合现代机器学习模型，有望成为新一代高质量诊断工具的基础，能够在极短时间内提供关键信息。