基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法技术

本发明专利技术涉及基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法，使用原子力显微镜AFM对药物作用下的细胞进行定时间点机械特性的检测,对相应时间点的单细胞的细胞骨架和细胞核进行荧光染色后进行共聚焦成像，使用ImageJ软件计算定时间点细胞骨架密度，并建立起细胞骨架密度与细胞机械特性参数之间的偶联关系，并根据此对药物作用下细胞的状态进行分析。本发明专利技术可以建立细胞骨架密度与细胞的机械特性参数的关系，根据细胞骨架密度对细胞的机械特性参数进行预测，结合细胞骨架密度与细胞的机械特性参数进行药物作用下细胞状态的分析。操作简单、无毒，是基于单细胞尺度的药物作用下的细胞状态分析。因此，在单细胞尺度的药物敏感性分析领域具有重要的潜在应用。感性分析领域具有重要的潜在应用。感性分析领域具有重要的潜在应用。

【技术实现步骤摘要】
基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法


[0001]本专利技术涉及单细胞分析领域，具体为一种可以进行无创、无毒、免标记的单细胞分析方法。

技术介绍

[0002]临床上，由于患者自身存在的异质性会导致对某些化疗药物不敏感或者耐药，化疗药物的选择、药物浓度的制定是医生对于患者化疗方案制定的关键。临床医生主要根据患者的病理分型、病人的身高、体重等指标，结合单细胞测序等多组学技术，制定化疗用药方案。但是，这些方法主要是患者群体的指标，忽略了患者自身存在的显著性差异，现有的单细胞分析技术在细胞群上进行，程序冗长、涉及其它有毒试剂容易造成假阳性率，并且不能检测出细胞群中的个体差异。因此，有必要开发出一种体外的基于单细胞尺度的药物敏感性分析技术，能够准确地评估个体患者对于某种药物的敏感性，确定用药剂量以及可以对药物起作用的时间进行估计，使用毒性较小或无毒的化合物，检测程序简短，并在单细胞水平上反映细胞的异质性。
[0003]已有研究表明：细胞的机械特性与细胞的生理病理状态，宏观机体的生命活动息息相关，并可以反应宏观机体的状态。细胞机械特性的改变会影响会影响细胞的运动、转移、侵袭、分化等生理活动。同时，细胞在化疗药物的作用下，会影响细胞的有丝分裂过程，重塑细胞骨架结构，力学特性和细胞状态也会随之发生改变。此外，一些靶向药物会与细胞表面的靶点结合，药物与靶点之间的结合力的大小，以及细胞表面靶点分布的密集程度也会影响到药物的治疗效果。因此，研究药物作用下细胞的力学特性变化可以促进对疾病病理过程的了解，并允许在单细胞尺度上进行药物敏感性和状态分析。
[0004]在众多细胞机械特性的检测技术中，原子力显微镜(AFM)，可以在液体环境下同时对细胞进行纳米级空间分辨率和毫秒时间分辨率的的力学特性检测，具有独一无二的优势。然而，目前对于细胞机械特性的检测大多是基于单个时间点的，忽略了细胞生理状态随时间的动态变化。研究表明，细胞骨架结构与细胞的机械特性以及生理状态直接相关。因此，在药物作用下特定时间内测量细胞机械特性并建立其与相应时间点的细胞骨架密度的偶联关系，对于更好地进行评估细胞的状态，进行单细胞尺度的药物敏感性分析，具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种可以进行无创、无毒、免标记的单细胞状态分析方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。具体说是结合了微纳技术检测、共聚焦成像技术、统计学分析方法。主要用于进行单细胞尺度的细胞骨架密度与机械特性偶联和细胞状态分析。在单细胞分析及临床药敏感测试领域具有重要的潜在应用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法，包括以下步骤：
[0007]1)对于某种细胞，使用AFM对未加药、不同药物中每种药物的不同浓度、不同药物中每种药物作用时间下的细胞，进行设定时间点机械特性的检测；
[0008]2)对未加药、不同药物中每种药物的不同浓度、不同药物中每种药物作用时间下的细胞，进行细胞核和细胞骨架染色，并对细胞骨架平均荧光强度进行统计，以表征细胞骨架密度；
[0009]3)建立细胞骨架密度与细胞机械特性的偶联关系，并基于该偶联关系进行药物作用下细胞状态分析。
[0010]通过使用原子力显微镜对细胞的机械特性检测，以实现对细胞的无毒、无损检测。
[0011]所述对细胞骨架平均荧光强度进行统计，通过荧光度分析软件实现。
[0012]所述建立细胞骨架密度与细胞机械特性的偶联关系，包括以下步骤：
[0013]构建细胞骨架密度与细胞机械特性的关系式：
[0014]y＝P1×
x+P2[0015]其中，x代表机械特性，为多维粘弹性参数向量α0＝(k
0 k
1 k
2 b
1 b2)
T
或者杨氏模量，k0,k1,k2,b1,b2代表粘弹性参数；y代表细胞的骨架密度，P1、P为系数矩阵；
[0016]将检测得到的机械特性、细胞骨架密度代入关系式中，得到P1、P，即得到细胞骨架密度与细胞机械特性的偶联关系。
[0017]所述细胞的机械特性为多维粘弹性参数和杨氏模量中的至少一种。
[0018]所述基于该偶联关系进行药物作用下细胞状态分析，具体如下：
[0019]根据待测细胞的机械特性，通过细胞骨架密度与细胞机械特性的偶联关系，得到待测细胞的骨架密度；
[0020]根据骨架密度对细胞的生理状态进行分析：
[0021]骨架密度越大，表示细胞的状态越差，药物作用效果越好；
[0022]骨架密度越小，表示细胞的状态越好，药物作用效果越差。
[0023]基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析装置，包括：
[0024]机械特性获取模块，用于获取使用AFM对未加药、不同药物中每种药物的不同浓度、不同药物中每种药物作用时间下的细胞进行检测得到的机械特性；
[0025]细胞骨架密度获取模块，用于获取细胞骨架密度，所述细胞骨架密度通过对未加药、不同药物中每种药物的不同浓度、不同药物中每种药物作用时间下的细胞，进行细胞核和细胞骨架染色，并对细胞骨架平均荧光强度进行统计和表征得到；
[0026]细胞状态分析模块，用于建立细胞骨架密度与细胞机械特性的偶联关系，并基于该偶联关系进行药物作用下细胞状态分析。
[0027]一种基于单细胞动态机械特性的药效评估装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现所述的基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法。
[0028]一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法。
[0029]本专利技术具有以下有益效果及优点：
[0030]1.本专利技术在使用AFM进行细胞机械特性检测过程中，对细胞无毒、无损伤。在进行完连续时间的机械特性检测后，细胞仍然具有活性，可用于其它检测。
[0031]2.本专利技术通过量化细胞骨架密度，与细胞的机械特性以及细胞状态建立耦联关系，建立细胞骨架密度与细胞机械特性参数之间的线性模型，可根据该线性模型根据细胞的机械特性对细胞的骨架密度进行预测，并根据预测结果对药物作用下细胞的状态进行分析。
附图说明
[0032]图1为本专利技术的原理示意图；
[0033]图2为压痕实验获取细胞机械特性的示意图；
[0034]图3a为活细胞表面获取应力
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松弛曲线中应力
‑
松弛部分拟合图；
[0035]图3b为活细胞表面获取应力
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松弛曲线；
[0036]图3c为活细胞表面获取的力曲线；
[0037]图4为不同药物不同作用时间下两种细胞的细胞核和细胞骨架染色共聚焦成像图。
[0038]图5a为MCF
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对于某种细胞，使用AFM对未加药、不同药物中每种药物的不同浓度、不同药物中每种药物作用时间下的细胞，进行设定时间点机械特性的检测；2)对未加药、不同药物中每种药物的不同浓度、不同药物中每种药物作用时间下的细胞，进行细胞核和细胞骨架染色，并对细胞骨架平均荧光强度进行统计，以表征细胞骨架密度；3)建立细胞骨架密度与细胞机械特性的偶联关系，并基于该偶联关系进行药物作用下细胞状态分析。2.根据权利要求1所述的基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法，其特征在于，通过使用原子力显微镜对细胞的机械特性检测，以实现对细胞的无毒、无损检测。3.根据权利要求1所述的基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法，其特征在于，所述对细胞骨架平均荧光强度进行统计，通过荧光度分析软件实现。4.根据权利要求1所述的基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法，其特征在于，所述建立细胞骨架密度与细胞机械特性的偶联关系，包括以下步骤：构建细胞骨架密度与细胞机械特性的关系式：y＝P1×
x+P2其中，x代表机械特性，为多维粘弹性参数向量α0＝(k
0 k
1 k
2 b
1 b2)
T
或者杨氏模量，k0,k1,k2,b1,b2代表粘弹性参数；y代表细胞的骨架密度，P1、P为系数矩阵；将检测得到的机械特性、细胞骨架密度代入关系式中，得到P1、P，即得到细胞骨架密度与细胞机械特性的偶联关系。5.根据权利要求1或4所述的基于细胞骨架密度与机械特性偶联的单细胞分析方法，其特征在于，所述细...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘连庆，马爽，王文学，刘志华，于鹏，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：