电磁设备巧妙识别细胞：观察悬浮高度揭示奥秘

这看起来像是一个魔术：液体介质底部的细胞开始悬浮，然后在特定高度悬停。在没有物理接触的情况下，一种看不见的力量指引某些细胞一起向上或向下漂浮，就像小型潜艇一样。

但这里并没有什么魔术的把戏。这一切都发生在一种新的细胞分选设备中，该设备利用电磁悬浮精确地引导细胞的运动。由斯坦福医学院的研究人员及其合作者开发，这个设备可以用来分离不同类型的细胞，比如癌细胞和健康细胞，或者活细胞和死细胞，在实验室和临床上都有很多潜在的应用。

“在临床环境中，您可能会有一个体积非常小的活检样本，您想查看某些细胞并保持它们的活性以进行进一步的基因组测试——这将是该技术的一个完美应用，”博士、放射学助理教授以及描述新技术的论文的资深作者Gozde Durmus说。

首席作者是Malavika Ramarao，她是Durmus实验室的前研究员。

与其他细胞分选技术不同，这种名为Electro-LEV的新设备不需要将荧光标签或抗体附加到细胞上，也不需要将它们暴露在苛刻的化学物质或离心力下。相反，细胞是根据其密度和磁敏感性进行分离的。

“我们可以轻柔地对它们进行分选，”Durmus说。

一对磁铁

电磁悬浮系统基于杜尔穆斯十多年前开发的简单磁悬浮系统。2015年，她发表了一篇论文，表明该系统几乎可以悬浮任何类型的细胞。

杜尔穆斯说：“细胞能悬浮是因为地球上的所有物体都有一些固有的磁性。”

磁悬浮系统由一对磁铁组成，每个磁铁的大小约为一根口香糖，比普通冰箱磁铁稍强，两个磁铁一个叠在另一个上，北极对北极，南极对南极。

一个直径为1毫米的狭窄玻璃毛细管夹在两个磁铁之间。在顺磁性溶液中的细胞通过毛细管流动。（顺磁性溶液，例如用于增强MRI扫描的对比剂，稍微增强外部磁场。）

杜尔穆斯说：“我们使用的磁力很小，大约是0.4特斯拉。但我们系统的妙处在于，磁铁放得非常近，这样磁场梯度就很大。这就是诀窍。”

磁场梯度是指磁场强度随距离变化的程度，当两个磁铁靠得更近时，梯度就会增加。梯度越大，对场中物体施加的力也就越大。

相比之下，MRI机器中的强磁场约为7特斯拉，但大约相距1米。“MRI机器中的磁场梯度实际上比我们在微小机器中创造的要小，”Durmus表示。

在毛细血管内，磁场梯度使细胞悬浮到一个平衡位置。确切的高度取决于细胞的类型和状态。

尽管2015年论文中描述的磁悬浮系统允许研究人员在视觉上区分不同类型的细胞，但这些差异往往太小，无法实际对细胞进行分类。这个系统是静态的，意味着在实验过程中无法调整条件。

“在你悬浮一个细胞后，如果你想进一步悬浮它，你需要准备一个新样本来调整顺磁性参数。这是一个挑战，”Durmus说。

改变电流

新设备在两个磁铁上增加了电磁线圈。通过调整流经线圈的电流，研究人员可以瞬时修改施加在细胞上的磁力。

“在我们现在的设计下，你可以非常精确地操控细胞，让它们进一步分开，”Durmus说。

细胞在流出毛细管时，悬浮在不同高度的细胞被分拣，毛细管分为上出口和下出口。

杜尔穆斯说：“如果分拣不顺利，你只需改变电流。所有操作都可以实时控制，这样使用起来更方便。”

活着还是死去

在这项新研究中，研究人员展示了电场悬浮（Electro-LEV）技术能够微调多种细胞类型的悬浮，包括乳腺癌细胞、肺癌细胞、成纤维细胞和白血球。

他们随后测试了该系统在生物样本制备中，解决一个常见问题——将活细胞和死细胞分开。例如，对于准确的单细胞RNA测序和药物毒性筛选，需要剔除死细胞。而在干细胞移植中，死细胞可能会引发危险的炎症反应。

幸运的是，死细胞的悬浮高度通常比活细胞低。“一旦细胞死亡，通常它们的细胞膜会受损，变得更容易渗透，因此它们会吸收更多的顺磁溶液，变得更加密集，”杜尔穆斯说。

当研究人员从一个包含50%活细胞的样本开始时，他们发现电场悬浮技术能够有效地分拣活细胞和死细胞，最终得到的样本中约有93%是活细胞。即使起始样本中只有10%的活细胞，电场悬浮技术也能获得约70%活细胞的样本。

该系统甚至可能具有对相似密度的细胞进行分类的潜力。研究人员发现，与单个癌细胞相比，癌细胞簇对磁场变化的反应更快。这是因为单个细胞相对于其体积具有更大的表面积，受到更大的阻力。

这个现象表明，悬浮速度可能是一种监测癌细胞簇的方式，这些细胞簇通常更具侵袭性，更容易导致转移，Durmus说。

她设想电磁悬浮的广泛应用，从癌细胞到微生物的分类，将细胞组装成类器官，甚至引导微型机器人。

“这是一个功能广泛的平台，”Durmus说。“我认为会有我们尚未想到的应用。”

来自土耳其Ozyegin大学的研究员Mehmet Burcin Unlu也参与了这项研究。

更多信息： Malavika Ramarao等，单细胞的动态与精确电磁悬浮，美国国家科学院院刊（2025）。 DOI: 10.1073/pnas.2512246122