eLight·封面 | 光驱动单细胞旋转黏附测定

近日，德州大学奥斯汀分校 Yuebing Zheng 团队与中国科学院物理研究所杨明成团队合作，联合报道了一种利用激光靶向测量生物体黏附力的技术。

研究人员利用高度聚焦激光所产生的热泳力和光镊力，实现了直接在人类体液（血液，尿液）中对单个细菌，真菌和细胞的原位靶向移动和旋转，进而通过修饰衬底，观察这些生物体表面抗体与衬底特异性受体的相互作用。

不同于传统技术主要用于测量生物体表面黏附分子的牵张力，该成果揭示了如何实现靶向测量生物体表面黏附分子的切向力，从而进一步解释了在人体环境中，细菌，真菌和细胞是如何实现在人体表皮细胞的黏附，未来不仅对流行病学的感染，还对免疫应答和创伤愈合等生理和病理学的研究提供有利的帮助。

该文章近日发表在 eLight，题为“Light-driven single-cell rotational adhesion frequency assay”，Yaoran Liu 为论文的第一作者， Yuebing Zheng 教授为论文通讯作者。

● 微生物的黏附

随着 2019 新型冠状病毒在全球各地流行，我们也开始越来越关注流行病学。一般来说，有害的细菌，病毒或者真菌感染都可以引发流行病，这些微生物的感染可能来源于被污染的食物或者水源，甚至是一次身体接触。微生物入侵的第一步就是实现在人体细胞表面的黏附，然后依靠人体细胞提供营养物质，实现分裂繁殖，例如 SARS-CoV-2 通过于人体宿主细胞上的 ACE2 蛋白结合从而实现病毒黏附，然后分裂繁殖引发 Covid19 （图1）。因此研究微生物如何黏附在人体细胞可以让我们更有针对性的开发药物，从而避免微生物入侵。

图1：SARS-CoV-2 病毒黏附于一个细胞并进行分裂繁殖 (National Institutes of Health/Science Photo Library)

由于直接在活体生物内研究微生物吸附是一件极其困难的事。近年来，科学家通过在体外搭建一个微流控系统来研究微生物如何吸附在人体细胞，例如我们可以通过控制微流的速率和搭建细胞骨架来实现模拟微生物在受到不同的流场和边界运动下的人体內皮细胞黏附，从而用以模拟血液里微生物入侵的真实情況。然而这种方法只能在宏观上实现对血液里几乎所有细胞黏附的观察和测量，因此不仅是微生物的黏附而且其他各类人体细胞（例如红细胞，白细胞） 的黏附也会被引入，从而造成实验误差。因此实现对特定的甚至是某个单一的有害的微生物靶向研究将会使实验结果更加准确，从而更加真实的反映出微生物的体内入侵。

● 光的靶向操控

近日，来自德克萨斯州奥斯汀分校的研究团队有效地解决了上述问题，他们在不引入其他细胞的影响下，通过操纵高度聚焦激光所产生的力实现对单个微生物的靶向操控，进而更加准确的研究某种特定的微生物黏附。该团队通过一束激光引入热泳微流模拟人类的体液流动，同时利用另一束激光产生的束缚力进而移动和旋转单个真菌，观察其细胞表面抗体与外界环境中特异性受体的切向力相互作用（图2）。此项技术可以实现了对单个微米级真菌从黏附的初期到永久黏附的全过程的观察。与此同时，该文中的学者通过加入特定的药物以实现阻隔人体宿主细胞表面的特异性受体和外界环境，发现真菌黏附力显著下降，对这类药物提供了的佐证。

图2：利用激光实现对细胞的靶向操控从而实现对其黏附的研究

该文学者进一步通过此项技术模拟人体尿液中的真菌在尿道中感染，发现这些真菌黏附力呈现明显的差别。与传统的实验室中培养的真菌相比，人体中的真菌呈现显著不同的黏附特性，这些研究都将对泌尿道感染（膀胱炎或尿道炎），有着显著的借鉴意义。

此外，这项新的技术具有很好的普适性，不仅可以适用前文中提到的真菌，而且可以实现对人体尿液中单个纳米级的大肠杆菌，链球菌等各类细菌的直接操控。不仅是人体尿液，研究人员还成功的将这项技术运用于人体血液中的免疫淋巴细胞的操控，未来将有助于推动免疫应答和创伤愈合等生理和病理学的研究。

● 前景与展望

由于其具有纳米级操控精度和非接触操控模式的优势，利用光束操控纳米级生物已经在生物科学领域有了广泛的应用，科学家已经实现了精准地操控，包括移动，弯曲或拉伸，单个细胞，病毒甚至单个 DNA，RNA 和马达蛋白等。因此，除了本文提到的研究生物的黏附，光束操控还应用于药物定向治疗和研究有机大分子蛋白相互作用等多个方面，未来可以为临床疾病诊断、药物开发和治疗个性化疾病提供有力帮助。

现阶段，学界对 SARS-CoV-2 病毒黏附机制的研究大多数还都是基于病毒群体，该文学者希望进一步发展此项技术进来实现更加精确的操控更小的生物体，并将应用于研究单个 SARS-CoV-2 病毒在类似体液流动环境下是如何黏附于人体细胞的，并造成病毒感染的。

| 论文信息 |

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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