力學(xué)在細(xì)胞生物學(xué)中起著基礎(chǔ)性的作用。細(xì)胞通過這些機(jī)械力來探索周圍的環(huán)境，并感知周圍活細(xì)胞的行為。細(xì)胞所處環(huán)境的物理特性反過來又會(huì)影響細(xì)胞的功能。因此，了解細(xì)胞如何與環(huán)境相互作用為細(xì)胞生物學(xué)提供了重要的見解，并在醫(yī)學(xué)上具有廣泛的意義，包括疾病診斷和癌癥治療。

到目前為止，研究人員已經(jīng)開發(fā)了許多工具來研究細(xì)胞和它們的3D微環(huán)境之間的相互作用。其中最流行的技術(shù)是牽引力顯微鏡(TFM)。它是確定細(xì)胞基質(zhì)表面牽引力的主要方法，為細(xì)胞如何感知、適應(yīng)和響應(yīng)力提供了重要信息。然而，TFM的應(yīng)用僅限于提供細(xì)胞基質(zhì)上標(biāo)記物翻譯運(yùn)動(dòng)的信息。關(guān)于其他自由度的信息，如旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于技術(shù)限制和對(duì)該主題的研究有限，仍然是推測(cè)性的。

香港大學(xué)的工程專家提出了一種測(cè)量細(xì)胞牽引力場(chǎng)的新技術(shù)，以解決這一研究空白。該跨學(xué)科研究小組由電機(jī)與電子工程系的褚智勤博士和機(jī)械工程系的林源博士領(lǐng)導(dǎo)。他們利用納米金剛石(NDs)中的單氮空位(NV)中心提出了一種線性極化調(diào)制(LPM)方法，該方法可以測(cè)量細(xì)胞基質(zhì)上標(biāo)記物的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。

該研究為細(xì)胞多維牽引力場(chǎng)的測(cè)量提供了一個(gè)新的視角，研究結(jié)果已在納米快報(bào)期刊上發(fā)表，被作為雜志的補(bǔ)充封面。

該研究顯示了細(xì)胞基質(zhì)表面標(biāo)記的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)的高精度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了理論計(jì)算和前人的研究結(jié)果。

具有NV中心的NDs具有超高的光穩(wěn)定性、良好的生物相容性和方便的表面化學(xué)修飾，是許多生物應(yīng)用的優(yōu)良熒光標(biāo)記物。研究人員發(fā)現(xiàn)，基于單個(gè)NV中心的熒光強(qiáng)度與方向?qū)す馄穹较虻年P(guān)系的測(cè)量結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)高精度的方向測(cè)量和無背景成像。

因此，該團(tuán)隊(duì)發(fā)明的LPM方法有助于解決機(jī)械生物學(xué)中細(xì)胞力測(cè)量的技術(shù)瓶頸，它包含了來自生物學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)的跨學(xué)科合作。

“多細(xì)胞生物中的大多數(shù)細(xì)胞都經(jīng)歷著在空間和時(shí)間上高度協(xié)調(diào)的力量。多維細(xì)胞牽引力場(chǎng)顯微鏡的發(fā)展一直是該領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)之一。”褚智勤教授說。

“與傳統(tǒng)的TFM相比，這項(xiàng)新技術(shù)為我們研究真正的3D細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)相互作用提供了一種新的和方便的工具。它有助于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞牽引力領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)-平移運(yùn)動(dòng)測(cè)量，并揭示有關(guān)細(xì)胞牽引力的信息，”他補(bǔ)充說。

該研究的主要亮點(diǎn)是能夠高精度地表示標(biāo)記的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這是在分析細(xì)胞-基質(zhì)界面的力學(xué)相互作用方面邁出的一大步。它還提供了新的研究途徑。

通過細(xì)胞表面的特殊化學(xué)物質(zhì)，細(xì)胞相互作用和連接，這是細(xì)胞粘附過程的一部分。細(xì)胞在粘附過程中產(chǎn)生張力的方式主要描述為“平面”。牽引應(yīng)力、肌動(dòng)蛋白流動(dòng)和黏附生長(zhǎng)等過程都是相互聯(lián)系的，并表現(xiàn)出復(fù)雜的方向性動(dòng)態(tài)。LPM方法可以幫助理解圍繞著焦點(diǎn)粘連的復(fù)雜力矩，并在納米級(jí)水平上分離不同的機(jī)械負(fù)載(例如，正常牽引力、剪切力)。這也有助于理解細(xì)胞粘附如何對(duì)不同類型的應(yīng)力作出反應(yīng)，以及這些如何介導(dǎo)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)(細(xì)胞將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為電化學(xué)活性的機(jī)制)。

這項(xiàng)技術(shù)也有望用于研究其他各種生物力學(xué)過程，包括免疫細(xì)胞激活、組織形成和癌細(xì)胞的復(fù)制和入侵。例如，在對(duì)癌癥的免疫反應(yīng)中起核心作用的t細(xì)胞受體可以產(chǎn)生對(duì)組織生長(zhǎng)極為重要的動(dòng)態(tài)力量。這種高精度LPM技術(shù)可能有助于分析這些多維力動(dòng)力學(xué)，并為組織發(fā)育提供見解。

該研究團(tuán)隊(duì)正在積極研究方法，以擴(kuò)大光學(xué)成像能力，并同時(shí)繪制多個(gè)納米鉆石。