最新细胞生物学实验教程：细胞运动性检测实验详细介绍

一、细胞运动性概述

细胞的运动是机体新陈代谢与基本生命特征之一。在低等生物中，原始细胞通过变形和伪足活动趋近食物和远离伤害。在高级生物体的生命活动中，细胞的定向迁移与胚胎形成、神经发育、免疫应答、器官成熟等密切相关。人类的许多重大疾病及其治疗，如肿瘤转移，神经修复、干细胞功能再生等等都与细胞运动息息相关。

细胞的运动依赖于细胞骨架（Cytoskeleton），细胞骨架除了承担胞内的物质运输之外，也是构成细胞运动性的物质基础，例如肌动蛋白是细胞运动伪足中最主要的结构单位。当细胞感受到外界的刺激信息（如食物信号等），会伸出扁平的片层伪足，通过其前沿的不断延展和基部的收缩，以及细胞与支撑物之间的吸附、解吸附的动态循环，朝向刺激源运动。

细胞的运动还具有粘附性（Adhesion）与趋向性（Polarization）的特点，不同的粘附因子与细胞外基质（Extracellular Matrix）相互作用一方面决定了细胞运动的分子信号调控，同时与大量的趋化因子共同决定了不同细胞的特定组织转移与偏好。

图1：细胞的定向迁移运动

图2：细胞的运动性与细胞骨架蛋白

图3：神经干细胞分化与神经元的定向迁移

图4：原生癌细胞的迁移与侵袭

图5：一个正在穿孔的肿瘤细胞的运动

图6：恶性黑色素瘤细胞侵入机体正常组织

图7：上皮细胞在伤口部位增殖，运动迁移，进行组织修复

二、细胞运动性常用检测方法

细胞运动性研究在发育生物学、神经生物学、癌症与干细胞生物学等诸多前沿科学领域具有重大研究意义。然而长期以来细胞运动性检测是一个技术难点，目前常规可用于细胞运动性评估的主要方法有：基于显微镜的形态观察（含荧光标记）、体外组织移植、细胞集落划痕和Boyden Chamber法，这些方法各有千秋，但都无法实现定量检测细胞定向迁移、癌细胞侵袭性以及细胞粘附性等，最近罗氏公司推出的基于Boyden Chamber原理的微电子细胞芯片检测技术（xCELLigence）实现了定量、动态、无标记对于大规模细胞迁移、侵袭、粘附性的检测，同时还可同步检测包括细胞增殖、凋亡等多项细胞生理学功能。

1.基于显微镜的形态观察（可免疫荧光标记）

基于显微镜直接观察细胞运动性一般依赖活细胞工作站记录单一细胞的运动

轨迹，如果通过染色标记可以观察细胞骨架的改变。该方案对显微系统要求高，

难以同步观察细胞群落的整体状态，染色侵入式标记对细胞损伤大。

活细胞工作站观察非小细胞共聚焦显微镜观察绿色荧光标记运动中的细胞肺癌（A549）的体外运动

2.体外组织移植（可免疫荧光标记）

通过原代组织，建立短期的移植物离体培养，经染色可直接观察迁移能力。适

用于少数特定组织如神经元，应用范围有限，技术难度大。

小鼠嗅球神经干细胞体外移植物迁移小鼠海马神经干细胞体外移植物定向迁移（无趋化因子诱导）（SDF-1趋化因子定向诱导）

3.细胞集落划痕

建立细胞培养划痕实验，观察人为划痕的愈合状态来间接评估细胞迁移率，实

验简单，但误差大，重复性低，干扰因素多。

细胞伤痕愈合试验

单细胞层刮出条状“伤口”0小时，18小时后，细胞层的愈合状况。

I: 诱导表达14-3-3蛋白的3T3细胞；U:未诱导表达14-3-3蛋白3T3细胞。虚线表示了细胞

运动的远端位置。

4.Boyden Chamber法

Boyden Chamber法又称Transwell技术，是目前最常用的检测细胞运动性方法，

通过将细胞加入上孔室，在下孔室加入血清或其它趋化因子诱导细胞迁移到下

室。利用染色人工计数迁移细胞数目用于评估细胞的迁移。该方法无法满足动

态同步监控，人为计数误差较大，重复率低。

显微镜观察迁移到微孔膜底部的细胞（染色后）

5.基于Boyden Chamber原理的微电子细胞芯片检测技术

（xCELLigence-RTCIM）

xCELLigence-RTCIM是Roche与AceaBio公司联合开发出来最新一代细胞检

测技术，将微电子传感技术与Boyden Chamber原理相结合，将电子芯片植入

上孔底部膜表面，从而实现了动态、非标记的实时监控细胞迁移。同理在上孔

基部膜上侧包被不同的基质层，可用于检测癌细胞侵袭。该xCELLigence包

含6X16的检测孔，可同步检测多达96组样品，与xCELLigenc-RTCES系统

结合还可同步检测细胞增殖、凋亡等多项细胞生理学指标。

A B C

图：xCELLigence（RT-CIM）对非小细胞肺癌细胞株A549迁移运动的实时监测

A：用于检测细胞迁移与侵袭的实时细胞分析系统xCELLigence（RT-CIM）

B：基于Boyden Chamber原理的整合细胞阻抗传感技术的检测板。上室板中的细胞向含趋化因子的下室板定向迁移过程中，内置的阻抗传感器实时纪录细胞的运动过程。

C：A549细胞的细胞迁移动态曲线绿色：无血清诱导对照；红色：血清成分诱导对照组表：几种细胞运动检测方法的比较

三、细胞微电子芯片检测技术（xCELLIigence）

1.原理简述

xCELLigence细胞实时分析系统是基于检测电子传感器阻抗变化以反映细胞生理状态的新型细胞分析系统，其系统的核心是把微电子细胞传感器芯片整合到表面适于细胞贴附与生长的细胞检测板的底部或细胞浸润迁移板的微孔膜。微电子芯片测定的电阻抗即反映了细胞生长、伸展、形态变化、死亡和贴壁程度等一系列生理状态。

图：基于电子阻抗原理的高通量细胞芯片技术示意图

A:细胞检测板底部的微电子细胞传感器用于检测阻抗变化

B:基线阻抗纪录了检测板加入细胞之前的状况

C:阻抗的变化放映了细胞生长、增殖、迁移等生理状态

细胞指数(CI))是基于阻抗和细胞状态（包括贴壁细胞数量和贴壁状态）之间的对应关系，转化的一个指数参数，用以定量和比较细胞的真实状态。

CI值具有以下几个特点：

◆当不存在细胞或者细胞没有很好贴壁在电极上，细胞指数为零。

◆在相同的生理条件下，贴附在此孔电极表面的细胞越多细胞指数越大。细胞指数可

以用来定量检测孔里存在的细胞数量。

◆细胞状态的变化，比如细胞形态，细胞贴附或者细胞生长都会导致细胞指数的变化。

基于微电子阻抗传感技术的xCELLigence细胞实时分析系统具有免标记、实时、定量、自动化等诸多优势。具体表现为：

◆高信息量：可连续检测生物反应的全过程，提供大量重要的动态反应信息。

◆无标记：分析无需昂贵的标记或报告。

◆无创伤：电子检测不会干扰细胞生长和分析。

◆高准确度和精确度: 定量衡量细胞生长，提供高于2个数量级的动态范围，孔对

孔CV通常低于5％。

◆自动实时检测：整个实验过程自动收集数据，实时分析，大大改善仅仅在最终点分

析的结果。

◆灵活性：独特的设计允许自定义分析项目，提高实验室的效率。

◆易操作：用户友好的软件，简单直接的安装，简化培训和操作。

◆系统整合：微孔感应设备可与已有的滴定板设备配套使用。