电容细胞计数仪:单个生物细胞测定技术[编号:MFC-001]L.L.Sohn*†,O.A.Saleh*,G.R.Facer*,A.J.Beavis‡,R.S.Allan‡,andD.A.Notterman†‡Departmentsof*Physicsand‡MolecularBiology,PrincetonUniversity,Princeton,NJ08544CommunicatedbyLewisT.Williams,ChironTechnologies,Emeryville,CA,August1,2000(receivedforreviewMay19,2000)[Abstract]MeasuringtheDNAcontentofeukaryoticcellsisafundamentaltaskinbiologyandmedicine.WehaveobservedalinearrelationshipbetweentheDNAcontentofeukaryoticcellsandthechangeincapacitancethatisevokedbythepassageofindividualcellsacrossa1-kHzelectricfield.Thisrelationshipisspecies-independent;consequently,wehavedevelopedamicrofluidictechnique—‘‘capacitancecytometry’’—thatcanbeusedtoquantifytheDNAcontentofsingleeukaryoticcellsandtoanalyzethecell-cyclekineticsofpopulationsofcells.Comparisonswithstandardflowcytometrydemonstratethesensitivityofthisnewtechnique.生物细胞的电子学特征具有重要的意义,它为人们提供了开发新的、快速的疾病诊断手段的机会,(1,2)以及供电子学研究的集成杂交芯片(3-7).以前对细胞的电子学研究主要集中在细胞的外部形态学研究,比如细胞膜的应答反应、细胞容积,这些研究初步得到了细胞的宏观装配信息(8,9).这里我们报道了一种创新的技术---集成微流控芯片.在这种芯片上,我们可以对单个细胞的一些内部特征进行观察.“”我们称此技术为电容细胞计数仪.电容细胞计数仪可以对真核细胞内的DNA含量进行定量测定,真核细胞包括从酵母到哺乳动物细胞等各种有机体.此外,电容细胞计数仪可以用来测定细胞内DNA含量的异常变化,如细胞的癌变.通过监测细胞群DNA含量的变化,可以绘制细胞分化周期图.因此,电容细胞计数仪在未来可以用作医疗诊断工具,具有极低的检测限,不必经过特殊处理即可检测到小量的组织样品中发生癌变的单个细胞的存在.尽管传统的激光流式细胞仪也可以对细胞逐个观察,但需要样品预处理,如染色或细胞进行处理.相比之下,电容细胞计数仪不需要样品处理,并且操作更简单、快速、成本低.电容细胞计数仪的原理是基于对交变电流电容的测定.先进且灵敏的电子技术可以作到用探针对各种有机和无机材料以及外部电场的电极反应.电容测定在过去主要用于对大量材料进行研究(10).近年来,该技术被用于生物细胞装配研究,通过测定细胞大小和细胞膜电容,研究细胞分化过程(8)以及细胞分化成正常细胞和血液中的白细胞(9).与此相比,我们采用电容测定作为对单个真核细胞的细胞核内DNA的电极反应的测定并定量的方法.DNA是高度带电荷的分子,在低频交变电场中,同时与环境中和作用的结合,它的电极效应是相当大的(11-13).测量这种电极反应作为总电容的变化,用ΔCT,表示,用一对横挎的微电极表示逐个流经微流通道的缓冲溶液中的单个真核细胞.(Fig.1所示).不同于库尔特公司的流式细胞仪,它是测量流失的体积作为流经小孔的细胞的(14).当细胞通过电场时,集成微流控芯片可测量细胞的电极反应.这些数据在一定程度上是和细胞内电荷分布相关的.Abbreviation:PDMS,polydimethylsiloxane.†Towhomreprintrequestsshouldbeaddressedat:DepartmentofPhysics,JadwinHall,PrincetonUniversity,Princeton,NJ08544.E-mail:sohn@princeton.eduordnotterman@princeton.edu.§Smallerelectrodesseparatedby10nmandfabricatedbyusingstandardelectron-beamlithographycanbeusedinsimilardevicestodetectsinglebiomacromolecules(O.A.S.andL.L.S.,unpublishedresults).Thepublicationcostsofthisarticleweredefrayedinpartbypagechargepayment.Thisarticlemustthereforebeherebymarked“advertisement”inaccordancewith18U.S.C.§1734solelytoindicatethisfact.Articlepublishedonlinebeforeprint:Proc.Natl.Acad.Sci.USA,10.1073/pnas.200361297.Articleandpublicationdateareatwww.pnas.org/cgi/doi/10./.200361297PNAS/September26,2000/vol.97/no.20/10687–10690(a)(b)Fig.1.Schematicillustrationoftheintegratedmicroflu...