我国古人很早就发明了浑天仪用于演示及测量天象等大尺度物体

陈笑

随着现代生命科学研究进入微纳尺度，操纵和分析单细胞具有重大意义，能否给单细胞也配上“浑天仪”？目前，清华大学的王文会（点击查看介绍）团队发展了结合介电泳和微流控技术的单细胞电旋转芯片，实现稳定可控的单细胞三维旋转操作，展示了单细胞“浑天仪”进行细胞三维成像和多物理参数测量的非凡本领。

旋转操作是单细胞研究中的基本操作之一，在细胞核转移、细胞注射和细胞成像等过程中必不可少。哺乳动物细胞通常直径为5-20 μm，体积为0.1-6 pL，精细操作时的要求和挑战高。多年来，单细胞旋转操作主要包括机械法、光镊法、磁力法、声学法和电学法，但是这些方法大部分只能实现二维的旋转，限制了旋转操作在单细胞分析中的应用。同时，将单个细胞从大量样本中分离出来，转运到指定的旋转区域也尚未得到解决。清华大学研究团队设计的基于介电泳技术的单细胞三维旋转平台很好地解决了上述难题。细胞自身不论带电与否，在交变电场下会被极化，极化产生的电荷非均匀分布在细胞上，在非均匀电场下细胞整体将会受到介电泳力；如果在多个电极上施加具有相位差的同频信号，则会在细胞上产生扭矩使其发生旋转。他们通过控制相位顺序可以控制旋转的方向，调节信号的幅值和频率可以控制细胞的转速。利用此原理，他们结合微流控技术设计了一种单细胞三维旋转芯片，将单个细胞使用V字形卡口捕获后转运到类似四合院结构的旋转腔，产生丰富的旋转操纵模式，并能用于对细胞进行多物理参数的测量。如通过水平旋转可以测量细胞的旋转谱，并分析提取细胞的电学参数（细胞的膜电容和细胞质的电导率）；通过滚动旋转可以对单细胞进行三维成像，能够对细胞的外观形态进行测量（如细胞的表面积、体积、表面粗糙度等）。该单细胞“浑天仪”在四种典型的单细胞（HeLa、C3H10、B淋巴细胞和HepaRG）上进行了试用，发现在被测细胞中，B淋巴细胞具有最小的细胞膜电容和最大的细胞质电导率，同时通过对HeLa细胞和B淋巴细胞的三维成像，揭示了不同细胞间的几何参数（即表面积、体积和粗糙度）的差异。实验结果表明，该单细胞“浑天仪”可实现单细胞三维旋转操作和同步的多参数测量，为单细胞操作和分析提供了一种利器，赋予细胞生物学家新的能力。

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