利用AFM 研究力对细胞性质和功能的影响

细胞力学主要研究活细胞的行为、力学性能以及它们与细胞功能的关系。组成细胞的结构包括细胞膜、细胞骨架、细胞器和细胞质，它们的力学和动态行为以及如何相互作用从而影响细胞的整体性质是细胞力学研究的重点。研究表明，细胞对于外界刺激的力学响应对于细胞的行为有重要的影响，例如，细胞的迁移、扩增、分化和凋亡等。颗粒技术的快速发展使得颗粒成为研究细胞力学的理想工具，因为颗粒能与细胞直接接触，通过一定的方法可检测颗粒是如何改变细胞硬度和力学性能的。原子力显微镜AFM 在检测细胞力学方面有独特的优势，特别是胶体探针的应用使得 AFM 成为目前利用颗粒进行细胞力学性能测量尤其是细胞表面力学测量的主要工具。利用胶体探针 AFM，可检测细胞骨架的力学性能，从而对肌动蛋白在调节细胞的黏弹性及力学行为上的作用进行研究。Watanabe-Nakayama 等用粘有玻璃小球的 AFM 探针，第一次定量检测了细胞对于循环拉伸和压缩的响应，结果表明，由于细胞黏弹性，细胞张力开始增加然后在 1 min 内减少; 超过几分钟后，这种松弛度会缓慢增加，张力的恢复在几次往复施加力后逐渐消失; 当细胞内的肌动蛋白被抑制后，张力的恢复也被抑制，表明这种行为是由肌动蛋白驱动的。利用胶体探针，还可比较细胞不同部分的力学性能，Babahosseini 等使用了粘有玻璃小球的探针比较了非浸润性人乳腺细胞( MCF 10A) 和浸润性乳腺癌细胞( MDA MB 231) 内部区域的生物力学性能。他们把细胞从上到下分为三层结构: 质膜和肌动蛋白层( 上层) 、胞质和细胞核层( 中层) 以及细胞核和整合素层( 底 层) ，利用广义麦克斯韦模型比较了 2 种细胞不同层的硬度，结果表明，无论哪种细胞越往下其硬度和黏性越大，并且发现非浸润性细胞的硬度和黏性要比浸润性细胞大。现在的 AFM 还可以通过联合其他先进技术( 如荧光成像技术等) 来拓展它的应用，这种集成多种功能的 AFM 可以实时检测力作用时细胞的反应。例如 Shi 等将 AFM 与荧光显微镜联用，对牙周韧带细胞进行了形貌微结构表征，并利用胶体探针对细胞施加一定的力，通过荧光显微镜实时观察细胞受到力后其结构的变化与反应，最后发现该细胞具有很强的力纤维和杨氏模量，所以它能很好地抵消外力的影响。细胞的黏弹性和力学性能也可作为疾病诊断的依据，比如癌症、关节炎、骨质疏松症和心血管病等。Cross 等提取了肺、胰腺和乳腺癌细胞并用 AFM 对它们的硬度进行分析发现，癌细胞比良性的细胞都要软，说明力学性能可以作为区别癌细胞与正常细胞的一个判断依据。Nguyen 等通过使用微米 级 的 球 形 探 针，表征了良性人乳腺细胞MCF 10A 和人乳腺癌上皮细胞( MCF 7) 的黏弹性，结果发现，两者有明显的区别，MCF 7 细胞比MCF 10A 细胞更软，经过细胞松弛素处理的MCF 10A，由于细胞骨架排列被扰乱其松弛度会增加。这与 Li 等对细胞 MCF 7 和 MCF 10A 的研究结果一致。

胶体探针 AFM 在细胞力学领域取得了许多突破性的进展，通过 AFM 可以检测单个细胞和细胞膜等细胞组分的力学性能，得到包括细胞膜杨氏模量、细胞骨架和细胞核黏弹性等特征参数。利用AFM 研究力对细胞性质和功能的影响，是揭示组织、器官生物力学特性的基础，也是进一步研究细胞内生物大分子力学性能的出发点。同时，有助于深入研究细胞的生理、病理行为，为疾病的快速诊断和鉴别提供了一种有效的技术手段。AFM 经过几十年的发展，已成为表征和研究活细胞的主要工具之一，特别是在力学性能测量方面，凭借其独特的检测优势，AFM 成为了检测颗粒与细胞相互作用的重要工具。但 AFM 也有待改善的地方: 首先，由于实验设备限制，现在每次实验是通过一根探针对单一目标进行测量，为了提高效率，未来可以开发多探针并行系统。其次，目前 AFM 主要对颗粒与细胞膜表面的相互作用进行检测，对于细胞内部的检测还存在困难，这有望通过制造更加细长的探针比如纳米针来实现，这种探针可以在减少损伤细胞的情况下刺入细胞内部进行操作，从而对细胞核、细胞质等进行原位力学性质测量。为了更好地研究颗粒与细胞之间的相互作用，研究者们利用光镊、磁镊等技术直接通过激光或磁场操纵颗粒进行相互作用的研究，两种技术能实现同时检测多个颗粒并可在细胞内操纵颗粒，弥补了 AFM 的不足，三种技术各有优势，在研究时可以相互补充。

目前，将 AFM 与其他的先进技术进行联用，比如荧光显微镜、激光共聚焦显微镜以及单分子荧光显微镜等已经成为新的研究热点，通过联用可以在获得力学性能数据的同时获得荧光图像等信息，直接观察到力学性能对细胞行为及功能的影响等，当然现在的联用技术还不太完善，未来还需要进行更多的探索工作。