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更新時(shí)間：2024-05-14
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利用形態(tài)測(cè)量學(xué)來(lái)確定細(xì)胞形態(tài)的變化，可以被視為篩選潛在藥物和有毒物質(zhì)的一種令人興奮的工具，可以區(qū)分兩種主要的細(xì)胞死亡模式。
在細(xì)胞凋亡和壞死過程中，治療的早期階段會(huì)發(fā)生劇烈的細(xì)胞體積變化。從生物物理學(xué)和治療學(xué)的角度來(lái)看，區(qū)分這些過程非常重要。細(xì)胞凋亡是一種程序性的細(xì)胞死亡過程，而壞死則是由于環(huán)境干擾而導(dǎo)致的意外死亡。當(dāng)治療引起細(xì)胞凋亡而非壞死時(shí)，往往會(huì)有更好的結(jié)果。此外，細(xì)胞增殖過程會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞體積的變化，作為細(xì)胞生長(zhǎng)的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。
在這項(xiàng)研究中，我們展示了非侵入性的形態(tài)表面分析技術(shù)與經(jīng)過良好評(píng)估的生化方法相匹配，能夠清晰區(qū)分生理細(xì)胞和病理細(xì)胞。簡(jiǎn)而言之，形態(tài)測(cè)量分析可以通過適當(dāng)?shù)募{米顆粒（NPs）誘導(dǎo)的細(xì)胞體積變化作為增殖和細(xì)胞死亡的前兆，與傳統(tǒng)方法測(cè)量的細(xì)胞存活反應(yīng)相兼容。
這個(gè)項(xiàng)目本質(zhì)上是跨學(xué)科的，因?yàn)樗枰獙?duì)不同材料及其與感興趣的生物實(shí)體的相互作用進(jìn)行表征，正如團(tuán)隊(duì)成員具有不同背景所示。由Ferrari博士領(lǐng)導(dǎo)的小組旨在研究液體-固體界面上兩親分子的潤(rùn)濕過程、吸附和聚集，制備高度抗液體潤(rùn)濕的涂層，并利用AFM和3D形態(tài)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行表征。由Morán博士領(lǐng)導(dǎo)的小組專注于控制釋放系統(tǒng)的開發(fā)以及其在2D（體積和底物）和3D條件下的體外表征。
使用S neox 3D輪廓儀是因?yàn)樗哂蟹治龃竺娣e和從掃描中獲取重要表面參數(shù)的能力。采用了ISO 25178標(biāo)準(zhǔn)對(duì)表面進(jìn)行了形態(tài)測(cè)量的表征，該標(biāo)準(zhǔn)提供了對(duì)表面紋理進(jìn)行三維參數(shù)評(píng)估的規(guī)則。
在Confocal模式下，對(duì)包含在研究條件下的細(xì)胞的個(gè)體蓋玻片的整個(gè)表面進(jìn)行了分析。選擇了特定區(qū)域的細(xì)胞，并使用SensoSCAN S neox軟件分析了高度（H）和長(zhǎng)度（L）上的相應(yīng)剖面。相應(yīng)的形狀因子（SP）是根據(jù)H/L值確定的。
光學(xué)掃描形貌測(cè)量技術(shù)相對(duì)于原子力顯微鏡（AFM）具有多重優(yōu)勢(shì)：非侵入性和非破壞性的表征，以及能夠分析較大表面而不受限于幾平方厘米。此外，與AFM技術(shù)的已有經(jīng)驗(yàn)相比，測(cè)量時(shí)間也減少了[2, 3]，使光學(xué)形貌測(cè)量成為一種在納微尺度上提供更高分辨率的顯微技術(shù)，提供更多定性和定量信息。盡管對(duì)于這種技術(shù)不需要熒光蛋白標(biāo)記物或光學(xué)活性染料，但共焦和干涉模式下的三維掃描形貌測(cè)量可以在細(xì)胞幾何參數(shù)評(píng)估方面提供高準(zhǔn)確性（圖1a）。因此，標(biāo)準(zhǔn)條件下的3T3纖維母細(xì)胞顯示出典型的雙極或多極結(jié)構(gòu)，呈細(xì)長(zhǎng)形狀。此外，類似上皮細(xì)胞的HaCaT、HeLa和A431細(xì)胞呈多邊形形狀，尺寸更加規(guī)則，以離散斑塊的形式生長(zhǎng)。由于納米粒子處理，3T3纖維母細(xì)胞呈橢圓形狀，沒有須突。上皮細(xì)胞之間邊界喪失，形狀不規(guī)則。
通過對(duì)得到的剖面進(jìn)行分析（圖1b），從定量的角度評(píng)估了幾個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如對(duì)照細(xì)胞的高度和長(zhǎng)度，以及經(jīng)過增殖和細(xì)胞毒性誘導(dǎo)處理的細(xì)胞。
細(xì)胞形態(tài)及其形狀因子在不同H/L比值下的變化總結(jié)如圖2a和圖2b所示。通過使用球冠模型作為細(xì)胞的幾何近似[5]，估算了細(xì)胞的體積（圖2c）。所得數(shù)值與直接使用SensoSCAN S neox軟件測(cè)量的細(xì)胞邊緣考慮在內(nèi)的數(shù)值相吻合（在所有情況下差異低于5%）。
圖2：共聚焦模式下的三維表面形貌圖像（20倍放大）和形態(tài)參數(shù)（L：長(zhǎng)度和H：高度）（a），形狀因子（H/L比值）數(shù)值（b），以及根據(jù)光學(xué)表面形貌剖面數(shù)據(jù)和使用球冠模型作為細(xì)胞的幾何近似所估算的細(xì)胞體積。結(jié)果表示為十個(gè)獨(dú)立細(xì)胞的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。*p<0.001表示與對(duì)照細(xì)胞存在顯著差異，*p<0.001表示相同細(xì)胞系的不同處理之間存在顯著差異，≠p<0.001表示相同處理下不同細(xì)胞系之間存在顯著差異。（“3D profilometry and cell viability studies for drug response screening" by M. C. Morán, F. Cirisano and M. Ferrari is licensed under CCC）。
利用光學(xué)表面形貌測(cè)量，對(duì)細(xì)胞形態(tài)進(jìn)行了分析，并且具有與MTT細(xì)胞存活檢測(cè)等常規(guī)方法相兼容的響應(yīng)時(shí)間[6]。然而，這些分析可以避免由于MTT作用而導(dǎo)致的代謝活性變化而不改變可存活細(xì)胞數(shù)量的一些矛盾結(jié)果。此外，細(xì)胞存活率的測(cè)量結(jié)果來(lái)自每毫升104-105個(gè)細(xì)胞的代謝活性的算術(shù)平均值。這么多的細(xì)胞數(shù)量可能會(huì)阻礙對(duì)細(xì)胞形態(tài)變化在非常早期階段或細(xì)胞群體中的小部分的確定。
通過三維表面形貌測(cè)量確定單個(gè)細(xì)胞的體積是建立細(xì)胞死亡模式或機(jī)制的附加價(jià)值，這是其他技術(shù)（平方厘米級(jí)別）無(wú)法簡(jiǎn)單檢測(cè)到的。這項(xiàng)技術(shù)可以被視為在篩選潛在藥物和毒性材料時(shí)觀察細(xì)胞形態(tài)變化的有趣工具，特別是在治療過程中非常短的時(shí)間內(nèi)，對(duì)細(xì)胞死亡的兩種主要模式進(jìn)行區(qū)分，以提前預(yù)測(cè)治療藥物的成功預(yù)期。
生物醫(yī)學(xué)研究的成功在于將納米材料應(yīng)用于疾病治療并開發(fā)用于診斷的工具。在這項(xiàng)工作中，3D光學(xué)表面形貌測(cè)量通過定性和定量分析，滿足了作為潛在治療或毒性藥物傳遞系統(tǒng)篩選工具的要求，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)或誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。這項(xiàng)工作是研究團(tuán)隊(duì)**結(jié)合這兩個(gè)學(xué)科（治療和診斷）進(jìn)行的發(fā)表。
Sensofar的光柵投影技術(shù)能夠有效地分析微觀尺度上的功能紋理。因此，我們可以通過快速和非破壞性的測(cè)量獲得確保功能紋理正常工作的結(jié)果。
借助S wide，我們可以通過SensoVIEW添加有關(guān)幾何形狀的所有詳細(xì)信息，并在報(bào)告中進(jìn)行總結(jié)，從而提供出色的質(zhì)量控制。S wide還能克服一些典型的光柵投影系統(tǒng)的限制，因?yàn)槲覀兛梢詼y(cè)量拋光表面。
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