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《Science Advances》开启细胞奥秘之门!量子技术探索细胞微观力量
发布时间:2024-01-25



背景

   力无所不在,即使对于小小的细胞同样存在。近年来,我们对细胞内部微观世界的探索逐渐深入,不仅关注生化信号对细胞的影响,更着眼于物理线索对细胞命运的调控。在这个领域,机械力的作用愈发引人注目。因此,要精确测量细胞内微小力量(从皮牛顿到几个纳牛顿不等)对于理解生命力量的塑造至关重要。在这个挑战重重的领域中,我们一直受制于传统力学测量手段的检测下限,无法准确捕捉核心细胞力的真实情况。然而,随着金刚石分子力显微镜的问世,我们迎来了一场细胞力学研究的新时代!

技术难点与挑战

   在探索细胞内部微小力量时,科学家们一直面临着巨大挑战。细胞的核心力量微弱的仅有皮牛级别,远低于我们传统力学测量手段的检测范围,这让相关研究进展缓慢。目前,只有少数几种技术可用于测量细胞的微小力量,它们主要分为三类,基于基底形变的估计法:例如细胞牵引力显微镜(TFM)和利用微柱形变来测量细胞力;单细胞力测量:利用原子力显微镜(AFM)或磁/光镊系统等工具进行;荧光共振能量转移法:如分子张力荧光显微镜(MTFM)或张力计系绳(TGT)系统,依赖于力敏感荧光团。然而,这些技术各自存在限制和挑战。

   最近,四川大学魏强研究员和香港大学褚智勤教授课题组共同开发了一项引人瞩目的技术:量子增强金刚石分子张力显微镜(QDMTM)。这项技术通过结合量子测量平台和生物界面工程技术,以无荧光标记的方式成功测量细胞粘附力。这一创新成果已发表在《Science Advances》上,题为《Quantum-Enhanced Diamond Molecular Tension Microscopy for Quantifying Cellular Forces》。香港大学博士生徐峰和四川大学博士生张书祥为论文的共同第一作者。

   这项前沿技术的出现标志着量子测量技术在探索细胞微观力量方面的突破应用。QDMTM为我们提供了一种全新的高精度测量方法,或将彻底改变我们对细胞内力量作用的理解。这一突破性发现有望为细胞力学研究带来全新的视野和可能性,让我们以前所未有的方式探索细胞世界的奥秘。

 

图1、量子增强金刚石分子张力显微镜(QDMTM)设计原理图

1. 构筑稳健的量子金刚石生物传感平台

   这个团队创造了一个全新的传感平台——QDMTM,其独特之处在于将细胞力诱导的聚合物拉伸与NV色心自旋弛豫时间(T1)测量相结合。这项创新利用了所谓的“力转换器”,即力响应聚合物(详见图2A),这一技术能够将机械信号转化为磁性信号。通过测量随机涨落的磁噪音引起的NV自旋弛豫时间变化,进而得到细胞施加在“力转换器”上的粘附力,这种随机涨落磁信号,在这个纳米量级的空间尺度,现有的测量技术无法提供有效的测量,而我们基于NV色心的量子测量平台可以成功实现这一目标。

   这种定制的力响应聚合物包含了一个整合素配体Cyclo(RGDfK)和一个顺磁性的Gd3+分子,主要分子链是聚乙二醇(PEG),它发挥着弹簧的作用。通过原子力显微镜(AFM)的验证,研究团队证实金刚石表面成功地沉积了杂化二氧化硅层和聚合物涂层。他们观察到了典型的聚合物团簇(见图2B),这些结果进一步确认了力响应聚合物与金刚石表面的成功结合。这种引入的聚合物在整个细胞培养过程中表现出出色的支撑作用,特别是对于NIH 3T3细胞的黏附(详见图2C和D)。更引人瞩目的是,在没有RGD配体的情况下,细胞几乎无法在聚合物涂层上附着超过7天的时间(见图2E)。这些结果凸显出,聚合物涂层与细胞之间的黏附关系直接依赖于整合素-RGD的相互作用,并且在细胞培养条件下能够保持几天的稳定性。这一发现对于未来开发更加可靠的细胞生物传感器具有潜在的重要意义。

 

图2、钻石量子传感平台。

2. 量子增强力传感的验证

   为验证我们设计的QDMTM的可行性,我们利用溶剂效应对金刚石表面上的力响应聚合物进行构象调控,模拟了细胞力拉伸聚合物链的环境。我们发现水化作用(例如浸泡在水中)可以拉伸聚乙二醇(PEG)链,而脱水(例如暴露在空气中)则导致PEG链的塌缩。这意味着我们可以通过改变金刚石力传感器样品处于不同环境(水和空气)中的情况,来调整Gd3+磁性标签与NV色心之间的距离。

   图3A和B展示了金刚石力传感器表面在空气和水中的典型形态,分别对应塌缩和伸展状态。图3C中的线条剖面图显示了因溶剂效应而导致的分子链拉伸变化。在这里,PEG分子的一端与Gd3+离子络合物相连,另一端通过薄的“活性”杂化二氧化硅层与金刚石的表面相连。因此,聚合物的伸展或塌缩会改变NV-Gd3+的距离,从而影响NV的自旋弛豫时间(图3D和E)。

 

图3、利用聚合物构象变化验证所设计的QDMTM的可行性。

3. 细胞粘附力的半定量和定量

   我们开发的QDMTM方法可以帮助我们更好地研究细胞的粘附力。我们的研究成功地区分了不同粘附状态的细胞(图4),并发现了不同区域的细胞力大小与已知的结论一致。这表明,我们的QDMTM方法可以准确测量细胞粘附力。


 

图4. 细胞粘附力的半定量测量结果

   通过使用熵弹性分子链的形变与T1的关系,我们可以进一步量化细胞施加在PEG分子上的力。我们使用蒙特卡罗数值模拟方法(图5A)得到了Gd3+分子和NV色心之间的距离与NV色心的自旋弛豫时间(T1)的定量关系。然后,结合类蠕虫链(WLC)模型,我们可以获得细胞牵引力与T1之间的关系(图5B)。基于这些关系,我们可以重新构建细胞施加在PEG分子上的细胞力。同时,我们可以将T1图谱转换为PEG分子的延伸图谱和细胞力图谱(图5C和图5D)。这些图谱可以帮助我们更准确地定量细胞施加在PEG分子上的力,并进一步研究细胞的粘附行为。

图5. 细胞粘附力的重构

未来展望

   金刚石中的NV色心电子自旋的量子性质本质上保证了QDMTM具有前所未有的灵敏度和精度,与使用荧光团标记的细胞力测量方法相比,QDMTM原则上可以克服光漂白、有限的灵敏度和数据解释的模糊性等困难。同时,QDMTM传感器也可以在清洁后重复使用,提高用于比较不同样品的细胞黏附力的绝对精度。该方法从根本上改变了我们研究细胞-细胞或细胞-材料相互作用等重要问题的方式,对生物物理学和生物医学工程等领域有较大的影响。最后,该方法原则上具有扩展到使用纳米级金刚石颗粒作为传感器进行任意方向细胞力测量的潜力,这也是双方正在紧锣密鼓合作开发的下一代技术平台。

 

文章的第一作者为博士生徐峰(香港大学)与博士生张书祥,通讯作者为褚智勤教授(香港大学)与魏强教授

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5300