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)動的信息。關(guān)于其他自由度的信息，如旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于技術(shù)限制和對該主題的研究有限，仍然是推測性的。

香港大學(xué)的工程專家提出了一種測量細(xì)胞牽引力場的新技術(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，該方法可以測量細(xì)胞基質(zhì)上標(biāo)記物的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動。

該研究為細(xì)胞多維牽引力場的測量提供了一個(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)動的高精度測量。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)�激光偏振方向的關(guān)系的測量結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)高精度的方向測量和無背景成像。

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)動測量，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。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、肌動蛋白流動和黏附生長等過程都是相互聯(lián)系的，并表現(xiàn)出復(fù)雜的方向性動態(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)生對組織生長極為重要的動態(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。

原文標(biāo)題：

All-Optical Modulation of Single Defects in Nanodiamonds: Revealing Rotational and Translational Motions in Cell Traction Force Fields

作者簡介：

褚智勤

Dr. Chu joined The University of Hong Kong as an Assistant Professor in Department of Electrical and Electronic Engineering (Joint Appointment with School of Biomedical Sciences). In this talk, he will highlight his recent work on the development of diamond based hybrid nanosensor through NV spin relaxometry, being capable of monitoring various physical quantizes in physiological conditions. Due to the uniquequantum features of NV centers in diamond, he will discuss their possibilities for a number of exciting applications in biomedical science ranging from measurements of cellular temperature, pH, mechanical forces to proteins and biominerals.

Dr. Chu received the Chen Ning Yang Scholarship from The Chinese University of Hong Kong in 2012, and also The Finalist of Hong Kong Young Scientist Awards (under physics track) from The Hong Kong Institution of Science in 2013.