近日，德州大學(xué)奧斯汀分校 Yuebing Zheng 團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院物理研究所楊明成團(tuán)隊(duì)合作，聯(lián)合報(bào)道了一種利用激光靶向測量生物體黏附力的技術(shù)。

研究人員利用高度聚焦激光所產(chǎn)生的熱泳力和光鑷力，實(shí)現(xiàn)了直接在人類體液（血液，尿液）中對單個細(xì)菌，真菌和細(xì)胞的原位靶向移動和旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過修飾襯底，觀察這些生物體表面抗體與襯底特異性受體的相互作用。

不同于傳統(tǒng)技術(shù)主要用于測量生物體表面黏附分子的牽張力，該成果揭示了如何實(shí)現(xiàn)靶向測量生物體表面黏附分子的切向力，從而進(jìn)一步解釋了在人體環(huán)境中，細(xì)菌，真菌和細(xì)胞是如何實(shí)現(xiàn)在人體表皮細(xì)胞的黏附，未來不僅對流行病學(xué)的感染，還對免疫應(yīng)答和創(chuàng)傷愈合等生理和病理學(xué)的研究提供有利的幫助。

該文章近日發(fā)表在 eLight，題為“Light-driven single-cell rotational adhesion frequency assay”，Yaoran Liu 為論文的第一作者， Yuebing Zheng 教授為論文通訊作者。

● 微生物的黏附

隨著 2019 新型冠狀病毒在全球各地流行，我們也開始越來越關(guān)注流行病學(xué)。一般來說，有害的細(xì)菌，病毒或者真菌感染都可以引發(fā)流行病，這些微生物的感染可能來源于被污染的食物或者水源，甚至是一次身體接觸。微生物入侵的第一步就是實(shí)現(xiàn)在人體細(xì)胞表面的黏附，然后依靠人體細(xì)胞提供營養(yǎng)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)分裂繁殖，例如 SARS-CoV-2 通過于人體宿主細(xì)胞上的 ACE2 蛋白結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)病毒黏附，然后分裂繁殖引發(fā) Covid19 （圖1）。因此研究微生物如何黏附在人體細(xì)胞可以讓我們更有針對性的開發(fā)藥物，從而避免微生物入侵。

圖1：SARS-CoV-2 病毒黏附于一個細(xì)胞并進(jìn)行分裂繁殖 (National Institutes of Health/Science Photo Library)

由于直接在活體生物內(nèi)研究微生物吸附是一件極其困難的事。近年來，科學(xué)家通過在體外搭建一個微流控系統(tǒng)來研究微生物如何吸附在人體細(xì)胞，例如我們可以通過控制微流的速率和搭建細(xì)胞骨架來實(shí)現(xiàn)模擬微生物在受到不同的流場和邊界運(yùn)動下的人體內(nèi)皮細(xì)胞黏附，從而用以模擬血液里微生物入侵的真實(shí)情況。然而這種方法只能在宏觀上實(shí)現(xiàn)對血液里幾乎所有細(xì)胞黏附的觀察和測量，因此不僅是微生物的黏附而且其他各類人體細(xì)胞（例如紅細(xì)胞，白細(xì)胞） 的黏附也會被引入，從而造成實(shí)驗(yàn)誤差。因此實(shí)現(xiàn)對特定的甚至是某個單一的有害的微生物靶向研究將會使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，從而更加真實(shí)的反映出微生物的體內(nèi)入侵。

● 光的靶向操控

近日，來自德克薩斯州奧斯汀分校的研究團(tuán)隊(duì)有效地解決了上述問題，他們在不引入其他細(xì)胞的影響下，通過操縱高度聚焦激光所產(chǎn)生的力實(shí)現(xiàn)對單個微生物的靶向操控，進(jìn)而更加準(zhǔn)確的研究某種特定的微生物黏附。該團(tuán)隊(duì)通過一束激光引入熱泳微流模擬人類的體液流動，同時利用另一束激光產(chǎn)生的束縛力進(jìn)而移動和旋轉(zhuǎn)單個真菌，觀察其細(xì)胞表面抗體與外界環(huán)境中特異性受體的切向力相互作用（圖2）。此項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)了對單個微米級真菌從黏附的初期到永久黏附的全過程的觀察。與此同時，該文中的學(xué)者通過加入特定的藥物以實(shí)現(xiàn)阻隔人體宿主細(xì)胞表面的特異性受體和外界環(huán)境，發(fā)現(xiàn)真菌黏附力顯著下降，對這類藥物提供了的佐證。

圖2：利用激光實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞的靶向操控從而實(shí)現(xiàn)對其黏附的研究

該文學(xué)者進(jìn)一步通過此項(xiàng)技術(shù)模擬人體尿液中的真菌在尿道中感染，發(fā)現(xiàn)這些真菌黏附力呈現(xiàn)明顯的差別。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的真菌相比，人體中的真菌呈現(xiàn)顯著不同的黏附特性，這些研究都將對泌尿道感染（膀胱炎或尿道炎），有著顯著的借鑒意義。

此外，這項(xiàng)新的技術(shù)具有很好的普適性，不僅可以適用前文中提到的真菌，而且可以實(shí)現(xiàn)對人體尿液中單個納米級的大腸桿菌，鏈球菌等各類細(xì)菌的直接操控。不僅是人體尿液，研究人員還成功的將這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用于人體血液中的免疫淋巴細(xì)胞的操控，未來將有助于推動免疫應(yīng)答和創(chuàng)傷愈合等生理和病理學(xué)的研究。

● 前景與展望

由于其具有納米級操控精度和非接觸操控模式的優(yōu)勢，利用光束操控納米級生物已經(jīng)在生物科學(xué)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)地操控，包括移動，彎曲或拉伸，單個細(xì)胞，病毒甚至單個 DNA，RNA 和馬達(dá)蛋白等。因此，除了本文提到的研究生物的黏附，光束操控還應(yīng)用于藥物定向治療和研究有機(jī)大分子蛋白相互作用等多個方面，未來可以為臨床疾病診斷、藥物開發(fā)和治療個性化疾病提供有力幫助。

現(xiàn)階段，學(xué)界對 SARS-CoV-2 病毒黏附機(jī)制的研究大多數(shù)還都是基于病毒群體，該文學(xué)者希望進(jìn)一步發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)來實(shí)現(xiàn)更加精確的操控更小的生物體，并將應(yīng)用于研究單個 SARS-CoV-2 病毒在類似體液流動環(huán)境下是如何黏附于人體細(xì)胞的，并造成病毒感染的。

| 論文信息 |

Liu, Y., Ding, H., Li, J. et al. Light-driven single-cell rotational adhesion frequency assay. eLight 2, 13 (2022). 

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00020-4

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