【儀表網 儀表研發】2021年4月12日，中國科學院生物物理所李棟課題組與牛津大學Marco Fritzsche課題組以及倫敦大學學院Emad Moeendarbary課題組合作在Nature Communications雜志同期發表題兩種生物力顯微成像方法的論文，Astigmatic traction force microscopy (aTFM)和Two-dimensional TIRF-SIM-traction force microscopy (2D TIRF-SIM-TFM)。提出了兩種新型生物力顯微成像方法：像散牽引力結構光照明超分辨顯微鏡(aTFM-SIM)和二維全反射結構光超分辨牽引力顯微鏡(2D TIRF-SIM-TFM)，可對細胞生命活動過程中與周圍環境的相互作用力進行二維或三維、高速、長時程、超分辨率觀測，并利用這兩種技術研究了大鼠嗜堿細胞白血病(RBL)細胞免疫激活和哺乳動物細胞遷移等過程中的作用力，及其與細胞內微絲骨架動態形變的關聯。
 

　　生物力學(mechanobiology)是研究生命活動中相關力學特性的學科。細胞的生物力學特性與生命活動的許多功能相關，比如腫瘤免疫過程、器官的衰老、皮膚和傷口愈合、血管形成、淋巴功能、骨骼、神經元和眼睛活動等生命過程。這些微觀力學過程通常發生在亞微米、皮牛和亞秒尺度。牽引力顯微鏡(traction force microscopy)是最廣泛應用于生物力學研究的技術之一，其利用彈性物質表面的熒光微球探針觀測細胞和彈性物質互作過程中的微觀作用力。但是傳統的牽引力顯微鏡受限于獲取微球位移的精度和速度，只能以稀疏的熒光微球作為探針進行慢速的微米尺度二維觀測，應用范圍大幅度受限。
 

　　針對傳統牽引力顯微鏡只能二維觀測的缺點，基于李棟課題組開發的三維結構光超分辨顯微鏡(3D-SIM)對熒光微球探針和生物樣品進行超分辨觀測，高精度確定熒光微球的三維位置，李棟和Marco Fritzsche合作團隊已開發完成第一代三維牽引力顯微鏡(3D-SIM-TFM，Nano Letters，2019, 19(7): 4427-4434)。由于3D-SIM-TFM通過多層掃描得到微球的三維位置坐標，所以三維生物力測量的速度依然受限。針對這一瓶頸，合作團隊提出基于柱透鏡像散的力追蹤顯微成像方法aTFM-SIM(圖1)。aTFM-SIM無需機械掃描僅單次曝光即可高精度追蹤熒光微球探針的三維位置，從而計算出細胞表面三維作用力分布。aTFM-SIM的時間分辨率和軸向力追蹤精度比3D-SIM-TFM分別提高5倍和10倍。合作團隊進一步利用aTFM-SIM以高時、空和力精度觀測了RBL細胞的免疫反應過程(圖2)，以及宮頸癌細胞(HeLa)的貼壁伸展過程。
 

圖1. aTFM-SIM生物力測量方法示意圖。
 

　　圖2. aTFM-SIM活細胞成像觀測RBL細胞免疫反應過程中的生物力，及其與微絲動態形變的關聯。

 

　　aTFM-SIM可以有效研究微米尺度、秒量級和幾十皮牛大小微觀力學互作過程，但是生命活動過程中也存在大量更快速和更為小的微觀力學作用，并且使用二維成像也能觀測部分生命活動過程。為了進一步提升觀測的時空精度，研究人員使用全反射結構光超分辨顯微鏡(TIRF-SIM)和牽引力顯微鏡相結合開發出2D-TIRF-SIM-TFM顯微成像方法，并利用粒子圖像測速(PIV)算法取代傳統的單顆粒追蹤算法分析熒光微球探針的位移，可以分析更加密集的熒光微球探針，微球密度提升15~20倍，最終可有效探測幾十納米尺度，亞秒量級和皮牛大小的微觀力學互作。相較傳統牽引力顯微鏡，2D-TIRF-SIM-TFM的空間和時間分辨率分別提升2倍和10倍以上。合作團隊觀測發現2D-TIRF-SIM-TFM能有效解析原代鮭魚角質細胞遷徙過程中的類旋渦狀動態互作，而傳統牽引力顯微鏡卻不能(圖3)。
 

　　圖3. 原代鮭魚角質細胞遷徙過程中的微小位移的觀測結果，2D-TIRF-SIM能清晰觀測到旋渦狀的作用力產生過程。

 

　　論文1(aTFM-SIM)的共同通訊作者為倫敦大學學院Emad Moeendarbary教授、中科院生物物理所李棟研究員和牛津大學Marco Fritzsche教授，共同第一作者為中科院生物物理所副研究員李迪、牛津大學博士后Huw Colin-York、博士生Liliana Barbieri和倫敦大學學院博士后Yousef Javanmardi，中科院生物物理所博士后郭玉婷為第二作者。
 

　　論文2(2D-TIRF-SIM-TFM)的共同通訊作者為中科院生物物理所李棟研究員和Marco Fritzsche教授，該論文共同第一作者為牛津大學的博士生Liliana Barbieri，博士后Huw Colin-York和博士后Kseniya Korobchevskaya，中科院生物物理所副研究員李迪為該文的第二作者。
 

　　上述研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院、中國博士后科學基金的資助。