显微操作系统

瑞士Cytosurge AG公司的多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT，是将原子力系统、微流控系统、细胞培养系统合为一体的单细胞操作系统，采用不同孔径的微型纳米注射器，可实现单细胞注射（Injection）、活细胞内物质提取（Extraction）、单细胞分离（Isolation）、粘附力测定（Adhesion）、纳米打印(Nano-printing)等多种功能，全程机械臂操纵，将污染风险和人为误差降到低，提高工作效率与实验可重复性，具有高度自动化、操作速度快与操作度高等特点，能够在单细胞水平上为研究者提供大的便利，可应用于单细胞质谱、单细胞力谱、单细胞基因编辑、细胞系构建、药物研发、医疗等领域。北京大学生命科学学院公共仪器中心的多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT，是国内套多功能单细胞显微操作系统，于2020年9月顺利安装于金光楼126室并开始试运行，由公共仪器中心覃思颖老师负责接样测试与维护管理。目前本中心的FluidFM BOT系统已成功应用于单细胞注射与物质提取（小鼠体外培养原代海马神经元、昆虫叶蝉细胞、MDA-MB-231细胞等）、单细胞分离（植物细胞原生质体、U2OS细胞等）与粘附力测定（细菌侵染细胞时细菌的粘附力、血管内皮细胞对不同基底的粘附力等）等多方面科研需求。以下是多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT的多个功能应用与实例介绍。FluidFM BOT结合原子力系统、微流控系统于一体（https://doi.org/10.1021/nl901384x）FluidFM BOT功能应用单细胞注射实例FluidFM BOT可以将多种不同类型的可溶性物质注入细胞核或细胞质中，可量化注射体积（fL别），可实现批量注射（每小时注射超过100个细胞），尤其适用于使用传统方法难转染的细胞，且对细胞几乎没有损伤。CHO细胞的Lucifier Yellow染料注射C57小鼠体外培养原代海马神经元DIV7的Dextran染料注射（北大生科院数据）活细胞内物质提取实例FluidFM BOT系统的活细胞内物质提取功能十分温和，可直接用微型纳米注射器吸取活细胞的细胞质或细胞核中的物质，无需经过化学或生物学手段进行破膜处理，不会产生裂解的细胞碎片，不会对内部细胞器造成任何破坏，可用于电镜成像、酶活检测、核酸表达检测、代谢组学、基因测序等多方面研究。活细胞提取物可结合电镜观察、酶活测定、转录检测等分析手段（http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.06.025）HeLa细胞的细胞质物质提取单细胞分离实例FluidFM BOT可进行无损细胞分离，对于悬浮细胞，可将细胞吸取并转移释放即可。对于贴壁细胞，可在探针的样品池中加入消化液如胰酶，对指定位置的细胞进行消化，然后再进行吸取与转移释放。FluidFM BOT实现的单细胞分离存活率很高，结合单细胞注射可实现快速转染细胞并建立单克隆细胞群，对于工程细胞株的建立十分有效。植物原生质体的单细胞分离（北大生科院数据）贴壁细胞CHO的单细胞分离粘附力测定实例FluidFM BOT系统通过负压将细胞吸附在探针针孔处，对细胞的吸附力比蛋白结合更加牢固，能够直接将细胞从基底上分离。这种方法不需要激活细胞的任何信号通路，可以得到接近细胞原生的数据。不同的探针针孔直径（2、4、8um）可适用于不同大小的细胞粘附力测定，我们甚至可使用孔径为300nm的探针进行更小个体的吸附与粘附力测定，目前在本中心的FluidFM BOT系统已成功应用于金黄色葡萄球菌侵染大鼠肠上皮细胞时的细菌粘附力测定（nN别）。不同大小的单细胞粘附力测定（https://doi.org/10.1038/s41598-019-56898-7）纳米打印实例FluidFM BOT系统还是一台纳米打印设备，可以在实验器材上铺设特定的基底膜，如打印亲水或亲脂性物质，从而实现对细胞贴壁的操纵，构建不同的细胞模式，实现对细胞信号转导机制、肿瘤细胞群落迁徙、神经细胞树突或轴突形成的研究。CMD基底打印cRGDfK的细胞贴壁生长Pattern研究（DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b03249）多功能单细胞显微操作系统在高性能单元的监控下，通过全自动的工作站实施操作，可确保实验的平稳、顺利的进行。探针有多种孔径规格可选，也可结合FIB技术进行探针定制，结合不同的探针可实现各式各样的应用，以上仅展现部分应用，更多的新功能有待各位老师与同学结合自己的课题需求进行探索与发掘，欢迎大家联系前来测试样品！

多功能单细胞显微操作系统——FluidFM OMNIUM，是瑞士Cytosurge公司研发推出的一款将原子力系统、显微成像系统、微流控系统、活细胞培养系统融为一体的单细胞显微操作平台，其核心技术——FluidFM技术采用了纳米级中空探针，轻松实现单个细胞水平、fL级别超高精度、自动化的细胞操作。近日，Quantum Design中国公司在西湖大学完成了单细胞显微操作系统FluidFM的安装工作，并对用户进行了相关知识和设备操作的全面培训。该设备的顺利验收，将助力西湖大学在基因编辑、细胞系构建、活细胞单细胞测序等研究方向取得更进一步的发展。西湖大学单细胞显微操作系统FluidFM理论培训现场西湖大学单细胞显微操作系统FluidFM上机操作培训现场西湖大学单细胞显微操作系统FluidFM培训现场：实验细节的热烈讨论 西湖大学单细胞显微操作系统FluidFM培训现场：西湖大学于珍珍老师独立上机操作演示 FluidFM OMNIUM单细胞显微操作系统由瑞士cytosurge公司自主研发推出的，该技术打开了传统细胞实验手段无法触及领域的大门，突破了单细胞研究、药物开发、细胞系开发中的障碍，主要功能包括单细胞提取、单细胞分离、单细胞注射、单细胞力谱等。深度应用于CRISPR基因组编辑、单克隆细胞系开发、病毒学、神经科学和生物力学等领域。FluidFM OMNIUM单细胞显微操作系统落户中国后，已经助力中国的科研工作者发表了多篇优异的文章：&bull W. Chen, O. Guillaume-Gentil, P. Y. Rainer, C. G. Gä belein, W. Saelens, V. Gardeaux, A. Klaeger, R. Dainese, M. Zachara, T. Zambelli, J. A. Vorholt & B. Deplancke. Live-seq enables temporal transcriptomic recording of single cells. (2022) Nature. &bull Y. Cui, X. Lyu, L. Ding, L. Ke, D. Yang, M. Pirouz, Y. Qi, J. Ong, G. Gao, P. Du & R.I. Gregory. Global miRNA dosage control of embryonic germ layer specification. (2021) Nature.&bull Y. Guo, F. Mei, Y. Huang, S. Ma, Y. Wei, X. Zhang, M. Xu, Y. He, B.C. Heng, L. Chen & X. Deng. Matrix stiffness modulates tip cell formation through the p-PXN-Rac1-YAP signaling axis. (2021) Bioactive Materials. 瑞士Cytosurge单细胞显微操作系统FluidFM OMNIUM外观图 Quantum Design中国与瑞士Cytosurge公司已达成大中华区的合作协议。Quantum Design中国专业、成熟的售后团队，具备超卓的Cytosurge系列FluidFM OMNIUM产品售后服务能力。“不仅提供先进的产品，还提供先进的售后服务”这将是Quantum Design中国区别于其他科研仪器供应商的重要特征，也正成为越来越多科学工作者选择Quantum Design中国的重要原因。 FluidFM OMNIUM产品已在国内各大高校和科研单位落户，在相关生命科学领域尤其是单细胞水平研究方面发挥着极其重要的作用。国内FluidFM用户已遍布北京大学、西湖大学、上海交通大学医学院附属儿童医院、中国海洋大学、山东中医药大学、五邑大学（粤港澳大湾区实验室）等。

瑞士Cytosurge公司的多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT，是将原子力系统、微流控系统、纳米位移台系统合为一体的单细胞操作系统，能够在单细胞水平上为研究者提供很大的便利，可应用于单细胞力谱、单细胞质谱、单细胞基因编辑、细胞系构建、药物研发、医疗等领域。本文将从单细胞实验方法和多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT结构出发，详细介绍多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT在单细胞力学实验中的应用。 一. 单细胞实验方法简介 在细胞生物学实验中，由于细胞的异质性，每个细胞互相之间都存在一定差异，因此在单细胞层面研究细胞性质可以获得更加准确的结果。近年来，多种单细胞研究技术不断涌现，应用于医学诊断、组织工程和药物筛选等领域。 对于细胞力学测定，原子力显微镜（AFM）能够对单个细胞或生物分子进行高分辨成像和力谱测定，但是细胞与探针的结合过程不可逆，无法实现连续、快速的检测。 对于细胞分离/分选技术，可选的有玻璃细管、光镊、流式细胞分选和磁珠分选等方法，然而有的从表面分离细胞时容易损伤细胞，有的无法从同类细胞群中分离出单个细胞。 对于细胞注射与提取，可选用纳米喷泉探针、纳米针和碳纳米管等，然而这些方法无法实现飞升以下量的含量注射，且注射时间较长。 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT，针对细胞力学测量、分离/分选、注射与提取等应用，在结合以上技术的优势的同时克服了这些技术固有的问题，是一套多功能的单细胞研究系统，在单细胞研究领域发挥着巨大作用。 二. 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT结构 简单来说，多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT是AFM与微流控的结合，主要由AFM扫描头、压力控制器与微流控探针组成（图1）。AFM扫描头装载于倒置显微镜上，整体结构大致与普通AFM相同，主要区别是探针中间有微流通道，后端连接液体池，前端探针有一小孔，用于液体的流入流出。微流通道内径小于细胞，防止细胞进入堵塞；探针则有多种不同孔径和不同的弹性，可根据不同应用以及不同样本更换所需探针。图1 FluidFM BOT系统图示。（a）微流控系统与AFM的结合应用；（b）（c）（d）探针的特殊设计。 三. 单细胞力学应用 传统AFM用于单细胞力学测量时，需要对探针进行一定处理以粘附细胞，后再与需要和细胞相互作用的表面、分子或其他细胞相结合，有时会产生多个细胞粘附，且反复测力会导致细胞被破坏，使得每次测量都必须准备新的探针，实验效率较低。 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT通过将AFM与微流控相结合，使单细胞力学实验更高效，更简洁。对于已经结合在表面的固定细胞，可根据细胞尺寸安装适用的探针，从上方接触需要测量的细胞，通过微流控系统施加负压吸起细胞，获得力-距离曲线；也可以吸取悬浮细胞，与表面或其他固定细胞接触后，测量力-距离关系。这种方法能够提供远比蛋白结合牢固的多的吸附力，能够将细胞牢固的固定在探针上面，因此能够用于直接从基质上分离；另一方面，由于没有生物处理，这种方法不会改变任何细胞表面的通路，从而能够得到接近细胞原生的数据。 单个细胞测量完成后可移动探针至细胞板其他孔内，施加正压将其释放，再回到实验孔吸取下一个细胞，意味着单个探针可以进行多次测量。 细胞粘附是许多生理过程的重要步骤，细胞粘附力的测定可以为组织形态发生、胚胎发育、肿瘤、免疫反应和微生物膜等研究提供重要信息。多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT支持真核和原核细胞与细胞板/培养皿表面、抗菌/粘性/抗体包被的表面或其他细胞的粘附力测量（图2）。图2 不同细胞在不同环境下的粘附力-距离曲线。（a）探针接近、暂停、吸取并拉伸细胞的过程中探针偏转随时间的变化；（b）Hela细胞与纤连蛋白包被的表面的粘附力-距离曲线；（c）不同接触时间下大肠杆菌与PLL表面的粘附力-距离曲线；（d）大肠杆菌与PLL表面的分离距离与接触时间的关系；（e）酿脓链球菌与玻璃表面的粘附力-距离曲线，表示多个球菌的连续分离；（f）单个细胞与单细胞层的粘附力-距离曲线。 Sankaran等人[1]使用多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT来研究在共价和非共价的表面整合素受体对细胞粘附力的影响。通过测定发现两者均可有效增加细胞的粘附能力，并且效果近似（图3）。图3使用FluidFM BOT测定共价键与非共价键的整合素受体之间RGD的区别。（a）实验示意图；（b）粘附力测定前后示意图；（c）粘附力-距离曲线；（d）大粘附力。 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT还可用于测量细胞的应力以研究细胞骨架的性质。Sancho等人[2]将10μm的小胶球吸附于探针上，之后使用探针去压细胞直到探针压力达到2 nN，通过压痕曲线来分析细胞骨架变化。通过对比发现过量表达MSX1的细胞硬度显著高于普通细胞（图4）。图4 使用FluidFM BOT测定HUAEC中MSX1过表达对细胞骨架的影响。（d）实验示意图；（e）吸附10μm珠子；（f）下压时空白细胞的力学谱线；（g）下压时MSX1过表达细胞的力学谱线，凹陷更深、斜率更高，表示其刚度相对更高；（h）胶体压痕法的测量结果。 四. 其他应用 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT可用于细胞内注射与提取（图3），通过力学测量，可以控制探针刺入细胞质或细胞核内进行飞升别含量的液体注射或提取。此外，FluidFM BOT系统还可用于细胞分离以及细胞延展性研究。图5 FluidFM BOT系统的细胞内注射过程。（a）探针对准细胞；（b）探针刺破细胞膜，注入含荧光染料的目标液体；（c）探针与细胞分离，注射完成。 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT克服了现有单细胞技术的短板，将多种单细胞应用相结合，高通量、高效率地获取单细胞层面的详细数据，研究多种细胞性质，尤其适合应用于医疗、单细胞生物学、单细胞质谱、单细胞基因编辑、药物研发等领域。 多功能单细胞显微操作系统FluidFM BOT在Quantum Design中国子公司与北大生科院共建实验室成功安装，为了更好的服务客户，Quantum Design中国子公司提供样品测试、样机体验机会，还等什么？赶快联系我们吧！ 电话：010-85120277/78 邮箱：info@qd-china.com，期待与您的合作！ 参考文献：[1]. Cell Adhesion on Dynamic Supramolecular Surfaces Probed by Fluid Force Microscopy-Based Single-Cell Force Spectroscopy, ACS Nano 2017, 11, 4, 3867–3874.[2]. A new strategy to measure intercellular adhesion forces in mature cell-cell contacts. Sci Rep 7, 46152 (2017).