超分辨細(xì)胞力測量

細(xì)胞通過持續(xù)施加機(jī)械 力完成黏附、遷移、吞噬、免疫突觸形成等關(guān)鍵生命過程，但如何在三維、亞細(xì)胞尺度上定量測量這些力的方向與分布一直是力學(xué)生物學(xué)的技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)牽引力顯微術(shù)（TFM）多基于二維平面凝膠或微柱陣列，無法模擬生理中“球形可吞噬靶”或“細(xì)胞-細(xì)胞”真實(shí)幾何；而現(xiàn)有可分散水凝膠微顆粒雖能進(jìn)入細(xì)胞-細(xì)胞界面，卻受限于產(chǎn)量低、粒徑/硬度不可調(diào)、缺乏高分辨率三維力解析工具。

瓦格寧根大學(xué)Daan Vorselen助理教授團(tuán)隊(duì)提出了一套完整、可普及的“可調(diào)水凝膠微顆粒細(xì)胞力測量”技術(shù)體系（DAAM-particle MP-TFM），用于在三維、亞細(xì)胞尺度上定量解析細(xì)胞施加的法向與剪切力，突破傳統(tǒng)二維牽引力顯微術(shù)（TFM）在幾何與力學(xué)維度上的局限。相關(guān)內(nèi)容以“Using tunable hydrogel microparticles to measure cellular forces”為題發(fā)表在《

Nature Protocols

【主要內(nèi)容】

一、材料設(shè)計(jì)：一次膜乳化批量制備“可調(diào)球形力傳感器”

膜乳化工藝：采用Shirasu多孔玻璃（SPG）膜，將丙烯酰胺/雙丙烯酰胺/丙烯酸水相擠壓至含Span 80的有機(jī)相，形成單分散乳液；油溶性引發(fā)劑AIBN在62 °C同步引發(fā)聚合，得到產(chǎn)率高達(dá)1012、CV≤0.1的球形微凝膠。

剛度可調(diào)：通過改變交聯(lián)劑比例（0.32–2.3 % w/w），在保持~9 μm直徑下獲得0.3–6.5 kPa的Young’s模量，覆蓋生理細(xì)胞剛度范圍。

表面可功能化：共聚的丙烯酸提供羧基，利用EDC/NHS一步法偶聯(lián)蛋白、熒光染料及抗體，實(shí)現(xiàn)“生物活性+可視化”雙標(biāo)記。

圖1 工作流程概述

二、方法創(chuàng)新：無參照、超分辨“微顆粒牽引力顯微術(shù)”（MP-TFM）

1. 3D超分辨形貌重建

共聚焦z-stack（步長≤0.15 μm）→ 以高斯誤差函數(shù)擬合顆粒邊緣→ 三角化表面→ 獲得<50 nm（z）與~20 nm（xy）的坐標(biāo)精度；同步標(biāo)記F-actin與暴露表面，自動(dòng)定義“細(xì)胞接觸區(qū)”與“應(yīng)力自由區(qū)”。

2.彈性理論反演力場

以“理想球+試位移場”迭代逼近實(shí)測形狀，采用球諧函數(shù)求解線性彈性方程，最小化應(yīng)力自由區(qū)合力與總彈性能，收斂后輸出法向+剪切牽引力分布圖；全程提供MATLAB+Python開源腳本，無需編程基礎(chǔ)即可完成分析。

圖2 圖像分析步驟及彈性理論計(jì)算概述

三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：吞噬過程中“力-形貌-肌動(dòng)蛋白”實(shí)時(shí)耦合

模型體系：IgG-opsonized 1.3 kPa DAAM-particles與J774A.1/RAW264.7巨噬細(xì)胞共孵育5–30 min，固定后共標(biāo)F-actin與暴露表面。

結(jié)果示例：

顆粒表面出現(xiàn)與肌動(dòng)蛋白環(huán)共定位的“收縮溝”與“齒狀凹陷”。

力圖中可見杯底質(zhì)心附近法向應(yīng)力峰值達(dá)~320 Pa，剪切應(yīng)力~60 Pa，且二者隨吞噬百分比線性增加。

剛度對照：0.3 kPa顆粒變形大但吞噬率低；6.5 kPa顆粒吞噬率高但變形??；1.3 kPa兼顧“可測變形+高效吞噬”，成為推薦工作剛度。

圖3 DAAM粒子合成的設(shè)置概述

圖4 協(xié)議的預(yù)期結(jié)果

四、通用化應(yīng)用：從吞噬到免疫突觸的“力-信號”解析平臺

功能模塊化：同一顆?？商鎿Q抗體、補(bǔ)體、磷脂酰絲氨酸、pMHC等配體，已驗(yàn)證適用于巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、T細(xì)胞、人外周血單核細(xì)胞及單細(xì)胞生物等系統(tǒng)。

活體兼容：顆?？晌⒆⑸渲涟唏R魚胚胎，在體測量細(xì)胞尺度應(yīng)力；亦能與膠原等ECM蛋白共價(jià)偶聯(lián)，用于3D組織力學(xué)研究。

動(dòng)態(tài)擴(kuò)展：對于~2 min的快速吞噬，采用晶格光片實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞MP-TFM；對于較慢的免疫突觸形成，旋轉(zhuǎn)盤共聚焦即可滿足需求。

圖5 DAAM粒子的泛函化策略與應(yīng)用

【全文總結(jié)】

該研究建立了一條“批量制備可調(diào)微球→超分辨3D形貌→彈性理論反演力場→揭示亞細(xì)胞力學(xué)機(jī)制”的標(biāo)準(zhǔn)化流程，為免疫、發(fā)育、腫瘤等多領(lǐng)域的“力-信號”研究提供了通用、精準(zhǔn)且低門檻的新工具。

https://doi.org/10.1038/s41596-025-01281-2

來源：BioMed科技