Nat Commun | 东南大学顾忠泽开发光子晶体细胞力成像技术

细胞力测量是一项关键的生物医学技术，通过测定细胞对其微环境施加的力量，揭示了细胞行为的重要机制。这包括细胞与基质的相互作用、细胞迁移、细胞周期等基本生理过程。对异常细胞力的研究不仅有助于深入了解疾病的发生机制，如癌症和心血管疾病，还为药物筛选、生物材料设计以及组织工程提供了重要线索。

通过细胞力测量，研究人员能够在细胞水平上捕捉微小的生物力学变化，为生命科学领域的各个方面提供了深刻的洞察力。细胞力测量是理解细胞运动和机械特性的关键手段，传统方法如牵引力显微镜（TFM）、弹性体柱测力法和弹性谐振干涉应力显微镜（ERISM）曾为研究提供了重要支持，然而在活细胞成像、吞吐量和多尺度分析方面存在局限，这些局限阻碍了细胞力研究及其实际应用的进展。2023年11月14日，东南大学生物科学与工程学院顾忠泽教授团队，在Nature Communications 发表了题为：Imaging cellular forces with photonic crystals 的研究论文

本项研究针对传统细胞力测量在活细胞成像、吞吐量和多尺度分析方面存在局限性展开研究，开发了一种光子晶体细胞力显微镜（PCCFM），用于在宽广的视野（1.3mm × 1.0mm，10倍目镜图像）上以高速（约每秒20帧）无需参考物来成像垂直细胞力。光子晶体水凝胶基板（PCS）可将微纳米变形转化为可察觉的颜色变化，从而实现对微小垂直细胞力的原位可视化和量化，并具有高吞吐量。它使得能够进行长期、跨尺度的监测，从亚细胞焦点粘附到组织水平的细胞片和聚集体。

PCCFM利用PCS技术，通过可见光的衍射和干涉来可视化和量化垂直方向的细胞力。这使得能够在原位进行高精度成像，并无缝地将分析扩展到多个尺度，提供对细胞力学的全面视角。关键组成部分是PCS，由24μm厚的PC薄膜组成，其中包含支撑玻璃和周期性分布在聚丙烯酰胺水凝胶中的硅纳米颗粒。PCS的周期性变形与结构颜色的变化直接相关，使得肉眼可见的颜色变化可以直接反映细胞施加的力。PCCFM通过梯度压缩方法获取梯度变形的PCS，捕获生成的颜色图案并提取色调信息，随后进行高光谱扫描以确定峰值波长。建立峰值波长与垂直变形之间的关系，配对色调和峰值波长的值，建立它们之间的映射关系。通过这些关系，可以推导出垂直变形（ΔD），这是一种可以直接测量的量。相比传统的高光谱扫描，PCCFM方法更快速，并且仅需单个图像。

PCCFM 系统实现垂直定向细胞力的可视化

正因为PCCFM在实时、吞吐量、计算等方面的优势，其用途十分广泛，为科学家提供了一种强大而高效的工具。（1）高通量实时测量细胞力：PCCFM展示了高通量和亚细胞分辨率下的细胞垂直应力的可视化和量化能力，对于细胞生物学和药物筛选研究至关重要。其实时性的数据为动态生物学过程提供了深刻的洞察，同时在药物筛选中提供更准确、全面的信息。（2）单层心肌细胞的垂直力测量：PCCFM系统适用于单层心肌细胞的垂直力测量，为了解药物和疾病对心肌细胞和心脏功能的影响提供了有效工具。通过PCCFM，可以在组织水平实现高时空分辨率的检测，观察心肌细胞在不同状态下的垂直应力和速度。（3）研究细胞对药物的异质性响应：PCCFM展示了在药物筛选中高通量实时测量细胞对药物的响应的能力。研究使用PCCFM对乳腺癌细胞对紫杉醇（PTX）的异质性响应进行了研究，结果表明PCCFM对于垂直细胞力的高灵敏度能够快速获取响应速率和趋势。（4）3D聚集体在形态发生中的垂直力变化：PCCFM用于分析HEK293V细胞的3D聚集体在形态发生中的垂直力变化。通过PCCFM，能够实时监测3D组织中细胞与基底之间的生物力学相互作用，为研究细胞力在3D组织形态生成和肿瘤发生中的变化提供了潜在应用。

PCCFM在高通量实时测量细胞力、层心肌细胞的垂直力测量、研究细胞对药物的异质性响应、3D聚集体在形态发生中的垂直力变化方面的应用

东南大学李奇维博士、东南大学以及苏州医疗器械研究所陈早早副研究员、东南大学张英副研究员、东南大学丁双博士为论文的共同第一作者，东南大学以及苏州医疗器械研究所顾忠泽教授为通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43090-9

转自：“iNature”微信公众号

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