硅基微尺仪可即时测量单个细胞的生长率
硅基微尺仪（Silicon-based microscales）允许了单个细胞生长率的即时测量，它为在细胞水平研究生物起源打开了有趣的视角。
细胞量的增加是所有生源进程，包括生成蛋白质、脂质、核酸和其它分子的结果。特异性的分子进程可以用许多合适的荧光显微镜技术在单个细胞中监测，与此不同，要可靠地度量细胞群中所有单个细胞则颇为不易，而确定它们的生长率更显困难。在《自然方法》（Nature Methods）中，Godin等人报道了一个微组装共振仪（microfabricated resonator）的使用。它具有高度的时间分辨率，可被用来精确测量示踪的个体活细胞，如细菌、酵母和哺乳动物细胞的生长率（图1）。这项技术与标准的遗传学和细胞生物学方法结合后，将无疑会在细胞生长控制的机制方面产生新知见。
图1 显微刻度可以被用来测量从100飞克到100皮克大小个体细胞量的变化。
通常，生物学专业的一年级大学生都可观察到，当细胞在适宜的环境中生长，细胞数将随时间推移呈指数增加。显然，这个现象的原因是，细胞分裂周期是一个倍增的过程。所以，跟踪数代细胞的结果发现就是细胞群的生物总量呈指数增长。但是，这种指数增长在单个细胞水平和单代细胞水平仍然维持吗？
关于细胞组分形成后量的增长争论已久：与细胞形状相关的量增长率是恒定的还是变化的，还是甚至更加复杂的与细胞分裂周期相关的量增长。遵循“核糖体越多则生成的核糖体更多”这个规则，我们可以预期，细胞的生物量会随着时间推移呈指数增长。在出芽酵母中，这个假说实际上被一些观察结果所支持，那就是在一个细胞周期中，蛋白质含量也呈指数增长。然而，近期一项研究指出，在一个分裂周期中，细胞生长率可以被大幅度调节。
为了缓冲这场争论，Godin等人开发了一项技术，使得他们可以在一个悬浮的微通道共振仪中，随着时间变化来监测单个细胞的量的演变。这个硅基装置由一个微米标尺的支架构成，其共振频率与它的质量直接相关。单个细胞从一个共振仪中蚀刻的小通道穿过，从而使共振频率发生轻微的改变。基于这个变化，可以计算细胞的漂浮重量（即粗略计算的干重量）。利用一个自动的流量控制系统，同一个细胞可以重复通过（每个几秒）测量通道，因此在几分钟或者更多的时间内，极具代表性地，这个细胞的质量可以被如此跟踪测量。这个测量法的相关干扰很小，使得单个细胞的生长率可以被精确监测。
通过使用大量的单个细胞来重复这项实验并保留细胞不同的天然形状，Godin等人用事实说明，细胞生长率与细胞量成正比，从而强化了上述的指数增长假说，并证实了之前用间接荧光标记法得到的数据。从这些数据得到的单个细胞量倍增时间与从试管中经过数代繁殖的细胞得到的倍增时间非常一致，这个发现证实了细胞生长和分裂之间必然联结。有趣的是，一定大小的细胞之间显示出生长率的显著差异，而且不能用实验错误来解释。由于已知细胞资源的很大一部分归于生物群起源学，而生长发育涉及大量的分子（RNA、核糖体以及其它），这个差异很可能有其外在起源，而与猜测的分子事件本质无关，尚有待考证。
这项技术与过去测定单个细胞生长所使用的方法相比，有若干优势：与细胞体积相比，细胞量是蛋白质含量的一个更好指标。这在出芽酵母中格外真实，因为它的空泡可以有不同的形状，从而显著影响细胞体积，但对干重却没有明显影响。此外，假使这项无标记技术在将来与光学探测相结合，将提供一个独一无二的机会，可在细胞水平（测量细胞量）和分子水平（使用荧光扫描仪）来描绘细胞生长相关的过程。与传统的遗传学方法一起，这项技术将帮助我们理解细胞生长和分裂之间的协调配合。从技术的角度出发，这项微流控技术装置可能对生长率-驱动细胞-分类应用非常有用。最后，未来的应用可能包括监测突然改变环境，比如突然的加热或者高渗时特定细胞瞬时生长率的反应，从而帮助我们精深理解规范的信号传导通路在单细胞水平对细胞生长的效应。
原文检索：Gilles Charvin. (2010) Measuring the growth rate of cells, one at a time. Nature Methods, 7(5): 363.
姚宇亮/编译