目的 细胞力学特性与细胞生理病理变化过程及机体健康状态密切相关,研究细胞力学特性对于揭示生命活动内在机制具有重要科学意义.原子力显微镜(AFM)的出现为单细胞研究提供了新的技术手段,它不仅可以在溶液环境下对单个活细胞的形貌结构进行高分辨率成像,还能够对细胞力学特性进行定量测量.基于AFM的单细胞力学特性研究在过去数十年中取得了巨大的成功,为细胞生理病理行为带来了大量新的认识,已成为生命科学领域的重要研究方法.然而,由于AFM探针自身难以进行药物递送,目前在超微量药物刺激下的AFM细胞力学特性实时探测方面仍然面临巨大挑战.本文通过将微针与AFM结合,发展了可对单细胞进行精准药物激励及力学特性同步测量的方法.方法 基于三维操纵仪、微量注射泵、医用注射器、聚四氟管和玻璃微针在荧光倒置显微镜上搭建了基于微针的单细胞显微注射系统,并利用拉针仪对毛细玻璃管拉制得到玻璃微针.选取NIH 3T3(小鼠胚胎成纤维细胞)、HEK 293(人胚胎肾细胞)和MCF-7(人乳腺癌细胞)3种细胞进行实验.在光学显微镜导引下利用微针将染色剂/药物分子注射到单个细胞,随后控制AFM探针移动到被注射的细胞表面获取力曲线.利用Hertz-Sneddon模型对力曲线进行分析得到细胞杨氏模量.结果 首先分析了微针针尖孔径尺寸对细胞注射的影响,针尖尺寸较大(针尖外径大于1 μm)时容易对细胞造成明显机械损伤.随后在光学显微镜导引下利用微针将蓝色墨水/PI染液注射到单个细胞并对目标细胞进行连续光学成像,结果显示墨水/PI染液被成功注射至目标细胞.最后将微针和AFM结合对超微量化疗药物(阿糖胞苷)刺激下单个细胞杨氏模量变化进行了测量,结果显示化疗药物刺激后会导致细胞力学特性改变.结论 结合微针和AFM可对单个细胞施加精准化学刺激并对化学刺激后的细胞力学特性进行同步测量,为超微量药物作用下的单细胞力学特性分析提供了新的思路.

原子力显微镜;微针注射;细胞;力学特性;杨氏模量

冯雅琦;于鹏;施佳林;李密

中国科学院沈阳自动化研究所,机器人学国家重点实验室,沈阳110016;中国科学院机器人与智能制造创新研究院,沈阳110169;中国科学院大学,北京100049

生物化学与生物物理进展

[1]冯雅琦;于鹏;施佳林;李密-.结合微针及AFM的单细胞精准激励与力学特性同步测量)[J].生物化学与生物物理进展,2022(02):420-430

Sneddon,蓝色墨水,微针注射

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