Nanoenergy and Biosystem Lab
中国科学院北京纳米能源与系统研究所

[The Innovation] 二维细胞牵引力测量技术的持续发展

导 读


细胞在迁移侵袭、收缩舒张的过程中通过与细胞外基质相互作用产生牵引力。虽然细胞牵引力极其微小,却有着不可或缺的生物学影响。细胞牵引力与生化信号、电信号一起协同有序地调控多种生物学过程,能够在细胞增殖分化、伤口愈合、血管生成、肿瘤发生转移及胚胎发育等过程中发挥关键作用。因此,量化细胞牵引力的大小对于更好地理解上述生物学过程至关重要,可进一步促进疾病诊断和药物筛选等技术的发展。北京航空航天大学和中科院北京纳米能源与系统研究所团队回顾了二维细胞牵引力代表性测量技术的发展历程,归纳了各类技术的特点,剖析了现有技术的瓶颈与挑战,并指出了细胞牵引力测量技术的未来发展方向。


图1 细胞牵引力产生的机制及二维细胞牵引力代表性测量技术的发展路线




早在1980年,研究人员通过弹性硅胶基底细胞培养方法,开发了利用弹性基底的形变和皱褶来反映细胞牵引大小的测量技术。之后,随着光学材料、微纳制造和计算机技术的协同发展,基于该技术体系的细胞牵引力显微技术(CTFM)应运而生。CTFM的弹性基底材料不仅可以根据实际测量需求调节杨氏模量,且薄膜结构具备透明、高弹性和易于制造的优点。弹性基底经细胞培养后,可通过显微镜采集其形变图像来获得弹性基底位移场,进而使用计算机反演求解牵引力场。此后,有研究人员将带荧光标记的纳米珠镶嵌到弹性基底上,进一步提高了位移场的分辨率。从位移场直接反演牵引力场的数学计算复杂度较高,如何构建高质量的位移场一直是CTFM技术开发的关键和难点。


一些研究团队通过改进弹性基底的形状结构,提出了微柱阵列的细胞牵引力传感器(MAFS)。其中,每一个微柱可作为独立的传感器来量化细胞施加的牵引力,而且微柱的长径比可以通过模具来调整。这些微柱阵列不仅可有效测量各个方向的细胞牵引力,而且可以显著简化细胞牵引力计算过程。同时,也有学者在MAFS顶部标记荧光物质或者添加金纳米球,以优化观测方法。此外,还设计了双面微柱阵列以提高低放大倍率下的精度。但是,受到实际制备的工艺限制,这些有机材料构筑的微柱直径和间距一般在微米量级,导致空间分辨率不足。相比之下,采用化学刻蚀和光刻技术制备的无机硅柱可以有效地将分辨率提高到亚微米/纳米量级。即便如此,由于无法实时观测活细胞的力学性能,通常仍需要将细胞脱水固定后用扫描电子显微镜观察无机纳米硅柱的位移。


近年来,通过光致发光强度变化来反演细胞牵引力的测量技术受到了重视。2020年,研究人员开发了一种基于InGaN/GaN纳米柱阵列的细胞牵引力测量技术,其长度为1.5 μm、微柱直径达到150 nm、纳米微柱的间距为800 nm、空间分辨率高达31750 dpi。整个器件采用具备良好透光性的蓝宝石作为纳米柱的基底层,同时利用每个纳米柱顶部的多量子肼(MQW)来实现光致发光,激发波长为405 nm/发射波长为460 nm。当细胞牵引力作用于纳米柱阵列时,压电光电子学效应会导致纳米柱内部压电势被重新分配,压电势的变化会进一步调制光致发光强度,结合激光共聚焦显微镜,可以利用纳米柱阵列发光强度和位置来直接反映细胞牵引力的大小和方向。该技术利用基于压电光电子学效应调控光致发光强度变化所构建的细胞牵引力计算方法,不仅直观便捷,而且实现了对活细胞牵引力实时高分辨率的量化。


总结与展望


细胞牵引力测量技术的持续发展为多种生物学效应研究提供了强有力的支持,有望作为疾病诊断和药物选择的新方法。为了进一步模拟细胞的实际生长环境,将细胞牵引力测量技术扩展到3D细胞培养也受到了研究人员的重视。当前,已有研究小组成功开发了基于油微滴和弹性圆形微凝胶的3D细胞牵引力测量技术。2D和3D细胞牵引力测量方法适用于不同的应用场景,可以结合开发。总体而言,发展高时空分辨率、高精度、稳定和实时的细胞牵引力测量技术是下一步的工作方向,其成功的关键在于新材料和微加工技术的进步。

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