临床和实验证明，单细胞生物物理特性和人类疾病之间有着千丝万缕的联系。从二十世纪六十年代起，人们就开始对这一自然规律展开研究，期望从中揭开一些疑难杂症的神秘面纱。然而，工欲善其事，必先利其器。解决上述难题，研究人员首先面临的就是开发出具有高通量、鲁棒性和易于操作的单细胞生物物理特性测量工具这一挑战。
细胞是生物体的基本功能单元，它通过内部化学、物理方式维持和感觉外部生理环境。独一无二的生物化学和生物物理特性使细胞能够实现特殊功能，并且适应外部环境。细胞的生理变化是伴随着自身一系列化学物理方面的改变和重组进行的。因此，病理细胞可以通过生物化学和生物物理方法得到识别――病理细胞的生物化学特性已经得到深入的研究，人们也已经研发出许多生物化学标记来从异源群体中识别出目标细胞。
除此之外，细胞的生物物理特性也对各种生物进程起到十分重要的作用，并且涉及到基因分化、变异、迁移和新陈代谢等规律。尽管大量细胞物理特性方面的研究表明，物理特性也可作为识别细胞类型的潜在标志，但目前大多数生物物理学研究仍只局限于概念验证展示，其主要原因是细胞的生物物理特性常规测量技术的效率低下，操作程序乏味，导致缺乏临床相关性。与常规技术相比，微流控技术具有体积小、集成度和生物适应性高以及响应快速的优势，在研究细胞方面很有吸引力。过去数十年，细胞生物化学特性描述的微流控技术已经取得了重大研究进展，目前该技术已经拓展到单细胞生物物理特性研究领域。
单细胞生物物理特性与人类疾病
单细胞生物物理特性包括细胞膜弹性、电导率、细胞骨架刚度、细胞内部蛋白和DAN分子熵弹性等。为了获取这些参数，一般需要在特定仪器中外加刺激使细胞产生变形来进行测量。细胞改变形状的能力大小用变形性描述，变形性也可用来衡量单细胞生物物理特性的差异。
有核细胞的变形性由细胞膜、细胞骨架网络、与细胞核的相互作用决定，而无核细胞如血红细胞的变形则是由膜骨架网络、膜骨架和膜内在蛋白质之间相互关系决定的。生理和病理的变化能改变细胞骨架的成分、重组网络结构、改变蛋白质密度从而影响细胞的变形性。据此原理，细胞的变形性也可作为识别病理情况的一种内在标志。例如，红细胞在全身血液循环中需要多次变形穿过直径比它本身还小的毛细血管和血窦孔隙，保证微循环的正常灌流，维持人体组织正常生命活动；若红细胞变形性降低，在通过某一条微血管时就容易发生堵塞，导致微循环障碍，引发心脑血管病及糖尿病等疾病。
细胞变形性分析方法
发展细胞变形性分析方法有重要的理论和临床意义，如果能找到一种方法检测细胞的变形性变化，就能尽早预防疾病的发生，或采取相应的治疗手段将疾病扼杀在萌芽阶段。分析细胞变形性的方法主要通过直接检测细胞膜力学性质，如细胞群体法、微流控法以及间接检测细胞变性，如检测血液黏滞性和导电性等。
细胞群体检测法一般采用大体积过滤技术，让血细胞样品通过滤筛、测量压力或流速变化来分析变形。细胞穿过滤筛时间越短说明细胞形变性越好。这种方法可以通过微加工的滤筛和显微镜直接观察细胞，但它只能实现整体细胞的测定，无法观测到单个细胞行为。
单细胞直径一般为5至500微米，具有一定的操纵和分析难度。研究人员以往需要借助显微镜和三维操作器采用膜片钳、细胞穿刺等技术进行单细胞研究。传统的流式细胞仪实现了细胞计数和筛选的集成化和自动化，但仪器体积大、内部结构复杂且易损坏，为研究带来了诸多不便。
八十年代末至九十年代末，新材料和微通道流体移动技术的发展促进了微流控技术的进步。基于光刻技术的微制造方法，能够在细胞或更小尺度上加工出易于控制的功能单元，扩展了在细胞水平进行生命科学研究的能力。比如，微流控装置具有网络式通道，不仅突破了毛细管的一维结构，还实现了流式细胞仪的微型化，为单细胞研究提供了一个新的平台，大大提升了细胞研究测试的重复性和精度。
微流控单细胞形变技术
微流控技术在单细胞变形性方面目前已经得到了广泛应用。与现有的原子力显微镜、微管吸吮技术、光学镊子、磁镊子等实验工具比较，微流控技术单细胞测量具有高通量处理潜力。按照细胞变形刺激机制不同，微流控单细胞变形性测量方法可分为以下几类。
结构诱导形变：使细胞通过直径小于它的收缩通道，即通过收缩通道驱动的细胞受到挤压，将通过时间、伸长率和恢复时间等与细胞形变相关的多个参数量化。此外，收缩通道易与标准精密加工技术结合，可提供一个环境来模拟体内毛细血管。与其他大多数可变形性测量方法相比，收缩通道能够实现更大的处理量。鉴于这些优点，收缩通道已经被用来测量血红细胞、白血球、癌症细胞形变。
流体诱导形变：血红细胞具有很强的变形性，在血管内部流体剪切应力作用下容易发生形变。与收缩通道不同，微流控方法用于产生剪切应力的通道比血红细胞大――血红细胞产生形变是由于流体剪应力而不是通道封闭结构作用。尽管剪应力被证明对于研究血红细胞是有效的，但是对其他类型的细胞形变影响不明显。
电穿孔诱导形变：电穿孔是一种将外部分子，如DNA和蛋白质输入细胞的技术。电穿孔的原理利用了磷脂双分子层疏水/亲水弱相互作用关系和它在干扰下能够自发地重新组装的能力。因此，一个电压冲击能暂时破坏细胞膜部分区域，允许极性分子通过。然后细胞膜重新封装，并使得细胞恢复完整无缺。
光学伸展形变：1970年，人们受到激光辐射压能够加速和诱捕微米级电介质粒子的启发研究出光学捕捉技术。光在与粒子交互过程中会传递一部分动量给粒子，从而在粒子上施加一个外力。若粒子没有处于光轴上，则会产生一个回复力使得粒子回到光轴。2000年第一台光学伸展器诞生，该装置后来用于使BALB 3T3纤维母细胞产生形变并测量它的粘弹性。
吸吮诱导形变：移液管吸引术是研究单细胞的传统方法之一。这种方法中的数学模型同样也应用到了细胞微流控特性研究中。将单细胞输送到一个微流通道，经过一系列漏斗状通道链发生形变，配合等效电路模型，将细胞机械性能和介电性能量化。
微流控库尔特计数器：库尔特计数器监控微粒通过小孔的直流电阻。虽然细胞膜是一个直流电绝缘层，但是通过取代导电液体，细胞的出现会改变通道口的阻抗。可以建立关联直流电阻与细胞体积变化之间的模型。当前，一些设计可以用来提高微流控库尔特计数器的性能。例如，二维鞘流聚焦能解决堵塞问题，并且采用多孔板设计还可提高微流控库尔特计数器的处理量。
存在问题及应用前景
在临床应用中，胸腔积水、尿液和血液细胞等样本成分千变万化，但研究人员感兴趣的细胞通常只是特定几种。为了获取有价值的数据（通常需要测试大量的细胞），一种用于研究人类红细胞特性的收缩通道设备，每秒可检测100至150个细胞并获取多种参数，在电气测试中，通过实验数据的精炼，还可以进一步采集到更多的临床参数。自动微流控技术中流体拉伸微流控装置每秒可测试2 000个细胞。
除了效率，微流控细胞变形性测量的另一个挑战是细胞形变和使用广泛的生化基因位点之间的关联。在细胞变形性用来作为实际临床标记前，病态细胞变形性、生物化学及分子方面的关联需要进一步完善。
环境因素影响下的细胞变形性也需要深入研究。细胞一旦从培育环境或人体内取出后，它们的变形性就开始发生变化。一些环境因素，如温度、二氧化碳浓度、渗透压等都会对细胞变形性产生影响。因此，在微流控细胞形变测试进入临床应用前建立一个测试标准是有必要的。
实验表明，微流控阻抗流式细胞术比库尔特计数器更加有效。微流控阻抗流式细胞术可按照细胞的生理和病理情况，如生存力、膜电位变化等来将它们区分开来。尽管电特性可用于区分细胞类型，如良性肿瘤和恶性肿瘤细胞，但人们对细胞生理变化和电特性之间关系的重视还没有细胞变形性那么高，也许是因为缺乏细胞电特性方面研究的有效技术手段。
与传统单个细胞生物物理特性分析方法相比，微流控装置在实现细胞多参数高速测量方面展现出了极大的潜能。作为一种无标记测量技术，生物物理测量可用于疾病预测手段。例如，若测量值显示细胞有可能发生病变，则可展开进一步的临床检查评估。此外，生物物理测量还能与细胞分选单元结合用于采集具有不同物理特征的细胞，以便进行生化分析。
目前，微流控系统采集的数据已经对生物物理测量提供了很多帮助，但其工作效率、敏感度和特异性仍有提升的空间。比如，其与生物物理和生物化学测量方法结合，可获得目标细胞的多种参数信息。在未来的工作中，细胞生物物理和生化特性将结合得更加紧密，包括基于微流控的生物物理测量技术也将得到推广，使生物研究中的更多发现成为可能。未来，单细胞生物物理特性分析仪器将朝着更加集成、简洁和操作便携的方向发展，成为临床认可的检验工具之一。
本文作者谢少荣来自上海大学机电工程与自动化学院
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