細胞的精確旋轉(zhuǎn)在單細胞分析、藥物發(fā)現(xiàn)和生物體分析等多個領(lǐng)域都具有重要意義。通過細胞的三維旋轉(zhuǎn)，將有助于發(fā)現(xiàn)隱藏的遺傳和結(jié)構(gòu)細節(jié)，在顯微手術(shù)、小生物表型和篩選中至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)機械操作方法會對細胞產(chǎn)生不可逆的物理損傷，影響細胞活力，因此非接觸式操作方法在遠程控制、無污染等方面具有顯著的優(yōu)勢。

目前常用的無接觸式細胞操控方法主要依靠電場、光場、聲場和磁場等。光場操控通常需要一個比較大的光強，會對細胞產(chǎn)生不可逆的損傷，并且缺乏可選擇性；磁場操控通常需要對細胞進行標(biāo)記，并且標(biāo)記很難去除；聲場操控需要頻繁改變電極和通道的結(jié)構(gòu)，效率較低。因此，電場操控方法因其方便、成本低、效率高而被廣泛接受。

通常情況下，電場操控主要依靠介電泳力（DEP）和電旋轉(zhuǎn)力矩（ROT）誘導(dǎo)細胞轉(zhuǎn)動，然而目前依賴于DEP和ROT的方法，通常需要一個復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu)（如三維電極），并且通量十分有限。

為解決上述問題，近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、王學(xué)文教授、吳玉潘副教授帶領(lǐng)研究團隊設(shè)計了一種基于雙極性電極陣列（BPE）的微流控芯片，使細胞在介電泳力（DEP）、電旋轉(zhuǎn)力矩（ROT）和電滲流（ICEO）的綜合作用下進行可控的三維旋轉(zhuǎn)，并進一步利用平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)譜提取了細胞介電特性，為不同種類細胞的可控、非接觸和精確旋轉(zhuǎn)提供了一種靈活、高通量和無損的方法。相關(guān)研究成果以“Three-Dimensional Rotation of Deformable Cells at a Bipolar Electrode Array Using a Rotating Electric Field”為題，發(fā)表在英國皇家化學(xué)會期刊Lab on a Chip上。

圖1細胞三維旋轉(zhuǎn)的工作機理及微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖

該微流控裝置利用四個ITO電極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場，并在中心的雙極性電極陣列上誘導(dǎo)產(chǎn)生DEP、ROT和ICEO渦流，通過對施加信號的頻率調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)細胞繞X軸、Y軸和Z軸的三維旋轉(zhuǎn)。

該研究選用酵母菌細胞和K562細胞，在高頻信號作用下，細胞受到DEP和ROT的主導(dǎo)作用進行平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)兩種細胞的CM因子及電旋轉(zhuǎn)力矩的仿真結(jié)果，通過調(diào)整施加信號的頻率，可隨意調(diào)節(jié)細胞的旋轉(zhuǎn)速度和方向；在低頻信號作用下，細胞受到ICEO的主導(dǎo)作用并陷入ICEO渦流在電極邊緣發(fā)生平面外旋轉(zhuǎn)。

在旋轉(zhuǎn)電場的作用下，細胞在電極邊緣受到行波介電泳力（twDEP）的作用，從而繞著電極邊緣進行平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，細胞的旋轉(zhuǎn)方向和速度均可通過改變施加信號的頻率來調(diào)節(jié)。因此基于twDEP和ICEO，本工作提出一種細胞的精確旋轉(zhuǎn)方法，使細胞在雙極性電極的任意位置進行平外面旋轉(zhuǎn)。首先施加一個高頻信號，使細胞在cDEP和twDEP的綜合作用下繞電極邊緣進行平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)細胞運動到指定位置時，立刻將信號切換為低頻信號，細胞便會在指定位置陷入ICEO渦流發(fā)生平面外旋轉(zhuǎn)。這可以作為一種簡單無害的方法來穩(wěn)定地捕獲細胞，并使細胞不依賴于自身特性進行平面外旋轉(zhuǎn)，有利于細胞的三維成像。

圖2 酵母菌細胞的可控三維旋轉(zhuǎn)



圖3 K562細胞的可控三維旋轉(zhuǎn)

基于酵母菌細胞和K562細胞的面內(nèi)轉(zhuǎn)速與自身電學(xué)參數(shù)的關(guān)系，該研究最后利用實驗中測出的細胞面內(nèi)轉(zhuǎn)速在MATLAB中擬合出了細胞質(zhì)電導(dǎo)率及細胞膜介電常數(shù)，并利用擬合出的電學(xué)參數(shù)重新繪制了兩種細胞的CM因子，擬合結(jié)果和現(xiàn)有文獻報道數(shù)據(jù)非常接近。

總體而言，ICEO與DEP結(jié)合具有無損、靈活操縱細胞的優(yōu)越能力。無線雙極性電極陣列的使用消除了對復(fù)雜電極結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造過程的需要，擴大了操作區(qū)域，并允許以預(yù)定的方式進行單個或多個細胞的非接觸和高精度旋轉(zhuǎn)。本方法不僅可以從任意角度觀察三維細胞，而且在研究細胞特性、藥物發(fā)現(xiàn)和顯微手術(shù)方面具有巨大的潛力，在生物工程、醫(yī)學(xué)和細胞生物學(xué)等領(lǐng)域具有重要的價值。

審核編輯：劉清