時(shí)間共享光鑷微流變技術(shù)，突破細(xì)胞器-細(xì)胞-生物體隨年齡變化的粘彈性難題

定量檢測生物微環(huán)境（如細(xì)胞內(nèi)部）和復(fù)雜流體（如生物分子凝聚體）的力學(xué)響應(yīng)有助于深入理解細(xì)胞分化與衰老機(jī)制，并加速藥物研發(fā)進(jìn)程。

西班牙光子科學(xué)研究所的神經(jīng)光子學(xué)與機(jī)械系統(tǒng)生物學(xué)研究組使用impetux 免校準(zhǔn)生物型光鑷-SENSOCELL的時(shí)間共享光鑷微流變技術(shù)（TimSOM），測定了生物材料隨頻率和時(shí)間變化的黏彈性特征，在秀麗隱桿線蟲模型中，發(fā)現(xiàn)人類早衰癥相關(guān)核膜蛋白的突變，會導(dǎo)致腸道細(xì)胞胞質(zhì)隨生物體衰老發(fā)生軟化。文章發(fā)表于Nature Nanotechnology。

免校準(zhǔn)生物型光鑷-SENSOCELL

impetux 免校準(zhǔn)生物型光鑷-SENSOCELL的TimSOM技術(shù)通過將單束激光拆分為兩個光阱，實(shí)現(xiàn)作用力與位移的同步測量，能夠在橫跨五個數(shù)量級的頻率范圍內(nèi)，定量表征mPa至kPa量級的材料力學(xué)特性。該技術(shù)適用性廣泛，可用于測量生物分子凝聚體的液-固相變，以及細(xì)胞胞內(nèi)區(qū)室的復(fù)雜黏彈性等研究，實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞內(nèi)部及蛋白質(zhì)混合物材料特性的快速表型分析，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及藥物篩選。

人體內(nèi)眾多分子間的相互作用，會引發(fā)針對自身產(chǎn)生的力與外部力的復(fù)雜頻率響應(yīng)。這種粘彈性力學(xué)機(jī)制對多種生理和病理過程至關(guān)重要。最新研究表明，細(xì)胞及其組分對機(jī)械力響應(yīng)方式的改變與癌癥和神經(jīng)退行性疾病存在關(guān)聯(lián)。許多發(fā)生相分離的液態(tài)凝聚體其力學(xué)特性會隨年齡增長產(chǎn)生變化，從液態(tài)向凝膠態(tài)或玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變已被證實(shí)與多種神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。

目前已有的可用于表征細(xì)胞的流變特性的技術(shù)，無法在對活體系統(tǒng)內(nèi)部施加作用力的同時(shí)測量這些力對細(xì)胞力學(xué)特性及機(jī)械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響?；诠忤嚨闹鲃游⒘髯兗夹g(shù)是探測生物內(nèi)復(fù)雜流體力學(xué)特性的方法，可應(yīng)用于活細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)、癌性球狀體、活體動物及生物分子凝聚體（BMC）等研究場景。該方法通過觀測懸浮于流體中的微粒在振蕩光阱作用下的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)力學(xué)特性表征。研究人員使用impetux Sensocell光鑷的時(shí)間共享光鑷微流變技術(shù)（TimSOM），（圖1）通過單束時(shí)間共享激光生成兩個光阱，一個用于進(jìn)行主動振蕩，另一個用于檢測位移，系統(tǒng)研究了生物分子凝聚體（BMC）、細(xì)胞及模式生物的流變特性，探究了材料性質(zhì)與形態(tài)發(fā)生、衰老及疾病之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

圖1   采用直接光動量傳感技術(shù)的TimSOM示意圖

研究人員首先需要確認(rèn)TimSOM方法是否能夠精準(zhǔn)反映粘彈性材料的力學(xué)性質(zhì)，于是使用TimSOM對三種已知流變特性的材料進(jìn)行了測試：水（圖2a）及不同甘油混合物（圖2b）的粘度值，與經(jīng)典拖曳力測量結(jié)果（圖2b）和已發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)據(jù)一致；采用蠕變?nèi)崃繙y量法（圖2c(i)）與TimSOM技術(shù)（圖2c(ii)）對同種聚丙烯酰胺（PAA）凝膠凝膠進(jìn)行對比時(shí)，發(fā)現(xiàn)二者測得的頻率依賴性剪切模量數(shù)值高度吻合，且部分與Kelvin–Voigt模型高度契合（圖2c）；對新鮮制備且未固化的10:0.1聚二甲基硅氧烷（PDMS）預(yù)聚物/固化劑混合物中嵌入微球進(jìn)行TimSOM測試（圖2d），結(jié)果顯示最為符合分?jǐn)?shù)階麥克斯韋粘彈性凝膠模型。通過以上結(jié)果可以確認(rèn)TimSOM方法能夠精準(zhǔn)測定粘彈性材料的力學(xué)特性。

圖2   TimSOM能夠精準(zhǔn)測定已知粘彈性材料的力學(xué)特性

生物分子凝聚體（BMC）在細(xì)胞質(zhì)組織結(jié)構(gòu)中起著關(guān)鍵作用，其物質(zhì)狀態(tài)的改變直接影響健康與疾病進(jìn)程。多種BMC的粘度會隨老化發(fā)生顯著變化。研究人員以MEC-2為研究對象，使用雙光阱（圖3a-d）與單光阱（圖3e-h）兩種方法測試，發(fā)現(xiàn)兩種構(gòu)型呈現(xiàn)相似的頻率響應(yīng)特性，且在液滴形成24小時(shí)后，交叉頻率顯著向低頻方向移動（圖3d, h）。這一現(xiàn)象表明，BMC的流變特性隨老化發(fā)生系統(tǒng)性轉(zhuǎn)變，其弛豫時(shí)間明顯延長。

圖3   BMC的粘彈性

為檢測年齡如何影響細(xì)胞與組織的力學(xué)特性，研究人員應(yīng)用TimSOM技術(shù)檢測了秀麗隱桿線蟲細(xì)胞的流變特性。為避免外源性的微球影響動物生理狀態(tài)，研究人員開發(fā)了利用內(nèi)源性脂滴作為機(jī)械應(yīng)力探針的方法。通過驗(yàn)證以下關(guān)鍵特性：折射率（n）n=1.42高于周圍細(xì)胞質(zhì)（圖4b）；直徑約1 μm以實(shí)現(xiàn)最佳捕獲剛度（圖4c）；（3）具備足夠剛度以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的有效壓痕（圖4d），確定內(nèi)源性脂滴十分適合作為流變學(xué)探針使用。

研究人員分別在年輕（第1天）與年老（第8天）成蟲的腸上皮細(xì)胞質(zhì)中實(shí)施TimSOM測量。線蟲細(xì)胞質(zhì)剛度約為斑馬魚細(xì)胞質(zhì)的十倍，阻礙了在胞內(nèi)移動脂滴以使用同一探針檢測多個區(qū)室。年老個體中這種類固體特征顯著減弱，表明細(xì)胞質(zhì)粘彈性在衰老過程中發(fā)生流體化轉(zhuǎn)變（圖4e）。在導(dǎo)致核膜病與早衰表型的突變株中進(jìn)行的TimSOM測試中，發(fā)現(xiàn)年輕成蟲的lmn-1突變體細(xì)胞質(zhì)粘度（圖4g）顯著下降至年老野生型水平，且在最高齡樣本中未進(jìn)一步變化，表明lmn-1缺陷能夠?qū)е录?xì)胞質(zhì)流變學(xué)特性發(fā)生早衰性改變。

圖4   秀麗隱桿線蟲腸上皮組織的微流變性質(zhì)

impetux Sensocell光鑷的主動微流變學(xué)技術(shù)，針對微量樣本進(jìn)行了優(yōu)化，能夠大幅降低材料消耗、儀器復(fù)雜度和測量時(shí)間，顯著提升實(shí)驗(yàn)通量。相較于現(xiàn)有基于雙獨(dú)立驅(qū)動-探測激光系統(tǒng)或正交偏振分光技術(shù)的主動微流變學(xué)方案，具有以下優(yōu)勢：采用單激光實(shí)現(xiàn)力與位置同步測量，避免了后端焦平面干涉測量系統(tǒng)中雙光路與雙探測器的對準(zhǔn)難題，確保在整個光阱操作區(qū)域內(nèi)保持恒定的校準(zhǔn)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的微流變學(xué)檢測。

impetux Sensocell光鑷具有的應(yīng)用潛力，從簡單粘性流體到粘彈性蛋白凝聚體的復(fù)雜響應(yīng)，從活細(xì)胞內(nèi)的多種細(xì)胞器到完整模式生物體內(nèi)的力學(xué)特性，均可精準(zhǔn)表征。

參考文獻(xiàn)：

[1]. Català-Castro,   F., Ortiz-Vásquez, S., Martínez-Fernández, C., Pezzano, F., Garcia-Cabau, C., Fernández-Campo, M., ... & Krieg, M. (2025). Measuring   age-dependent viscoelasticity of organelles, cells and organisms with   time-shared optical tweezer microrheology. Nature Nanotechnology, 20(3),   411-420.