セルの計量：測定、初めて、単一の細胞が質量を蓄積する方法（ビデオ付き）|生き物

科学者は初めて、個々の細胞がリアルタイムでどれだけ成長するかを測定しました。それは簡単に聞こえるかもしれませんが、実際には困難な技術的な偉業です。微視的な水がその周りに蒸発するにつれて、電子顕微鏡下の小さな砂粒の重量を測定するようなものですが、砂自体は化学物質の構造の微妙な変化を常に受けています。比較のために、これらの実験は、9ヶ月の妊娠中に単一の砂粒を検出するのに十分な感受性の高い精密なスケールで人間の赤ちゃんの成長を測定することに似ています。それでも、これは人間の健康の理解に深い意味を持っています。これらの測定では、細胞がエネルギーを使用し、環境に反応する方法を示しているからです。

「これにより、細胞サイズの関数としてあらゆる種類の基本的な生物学的プロセスを研究することができます」と、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者兼生物工学者であり、研究チームの共同リーダーであるダニエル・ニードルマンは言います。「これらの測定を行う能力があるので、実際に尋ねることができます。細胞の成長はどの程度変動しますか？摂動にどれほど敏感ですか？成長は、細胞が存在する栄養素や環境にどのように依存しますか？細胞が癌になり、正常な成長シグナルへの反応を止めるにつれて、成長はどうなりますか？」

「これは、単一細胞生物学の分野における技術的なマイルストーンです」と、カリフォルニア大学サンフランシスコ（UCSF）の定量的生物学者であり、研究チームの共同リーダーであるネバン・クロガンは付け加えます。「それはコミュニティ全体にとって変革的であり、シングルセルレベルで基本的な生物学と疾患メカニズムを研究するための新しい可能性を開きます。」

NeedlemanとKroganは、Journal Cellで本日（2022年5月12日）に公開されているプラットフォームとその最初の結果を説明する研究の共同著者です。少数のグループが以前に細胞の集団の質量を測定してきましたが、このグループは、成長するにつれて単一の細胞の重量をリアルタイムで計量する最初のプラットフォームを開発しました。

彼らは、個々の細胞の成長率が一定であることを発見しました。つまり、その質量は時間とともに着実に増加します。興味深いことに、これは、単位質量あたりのセルの代謝速度が成長するにつれて減少していることを意味します。言い換えれば、小さなセルは、より大きなセルよりもエネルギーを環境から成長に変換するのにより効率的です。さらに、研究者は、細胞が摂取して外部栄養素を成長に変換する効率を測定するために、その方法を使用できることを示しました。

「定量的な生物学者として、私は最近まで、測定するにはあまりにも挑戦的または不可能であった問題を研究するために、正確で定量的なアプローチを使用することに情熱を傾けてきました。貢献するには、これらの新しい測定ツールを構築する必要があります」とKrogan氏は言います。「この努力により、新しい実験的および計算的アプローチを開発し、さまざまな背景を持つ科学者を集める必要がありました。私たちが単独で働いていれば、それは不可能だったでしょう。」

重量がない

マイクロフルイドの計量と帯電した新しいプラットフォームは、マイクロ流体を組み合わせており、これにより、定量的位相イメージングを使用して、サブミリメートルスケールでの流体の正確な操作が可能になります。

「最初の技術的課題は、単に細胞を操作して捕獲することです」と、カリフォルニア州バークレーのバイオエンジニアであり、研究の共著者であるダニエル・フレッチャーは、その研究室がマイクロ流体プラットフォームを開発しました。「システムを介して数十万のセルを走らせたくないのです。なぜなら、どのセルを測定しているかわからないからです。しかし、あなたはまた、一度に1つのセルを測定したくありません。それには時間がかかりすぎるからです。したがって、一度に数十または数百のセルを閉じ込め、それらが生き残るために必要な栄養素を得るように媒体を流しますが、そこに閉じ込められたままです。その後、イメージングチームは、定量的フェーズイメージングを最適化および実装するためにやって来ました。」

定量的位相イメージングを実現するために、研究者はマイクロチャネルを通って細胞に光のビームを照らし、反対側に出現した光のイメージをキャプチャしました。チャネルにセルがなかった場合、光の波面は邪魔されません。しかし、セルが存在すると、光が曲がり、波面をわずかに変更します。この波面の変化は、セルの質量に直接計算的に変換できます。

「セルを通過する際に光の位相シフトを測定することにより、細胞の密度に直接関連する材料の屈折指数を推測します」と、UCLAの電気工学とコンピューターサイエンスの教授であり、統合光学研究所のディレクターであるAydogan Ozcanの共著者であるAydogan Ozcanは説明します。「細胞の化学組成とその成分の密度を知っているので、これにより、細胞の質量を正確に決定することができます。」

「これらの測定値は本当に敏感です」とNeedleman氏は言います。「細胞に加えられている1,000未満の水分子に対応する単一の細胞の質量の変化を測定できます。」

マイクロ流体チャンバー内の細胞が周囲から栄養素を吸収したため、予想通り、それらは膨張し、質量で成長しました。

「しかし、細胞が大きくなるにつれて成長率は変化しないことに気付きました」とニーデルマンは言います。「これは、小さな細胞内の代謝エンジンが、より大きなセルのエンジンよりもエネルギーを成長に変換するのにより、実際により効率的であることを意味します。」

チームは、他の科学者が、病気の状態を含むさまざまな条件や環境の下で、さまざまな種類の細胞の成長を研究するための技術を採用し、さらに改善することを望んでいます。