時間共享光鑷微流變技術(shù)揭示細胞器至生物體隨年齡變化的粘彈性

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

西班牙光子科學(xué)研究所的神經(jīng)光子學(xué)與機械系統(tǒng)生物學(xué)研究組使用impetux 免校準(zhǔn)生物型光鑷-SENSOCELL的時間共享光鑷微流變技術(shù)（TimSOM），測定了生物材料隨頻率和時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，以及細胞胞內(nèi)區(qū)室的復(fù)雜黏彈性等研究，實現(xiàn)對細胞內(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)機制對多種生理和病理過程至關(guān)重要。最新研究表明，細胞及其組分對機械力響應(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測量這些力對細胞力學(xué)特性及機械信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響。基于光鑷的主動微流變技術(shù)是探測生物內(nèi)復(fù)雜流體力學(xué)特性的方法，可應(yīng)用于活細胞細胞質(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動來實現(xiàn)力學(xué)特性表征。研究人員使用impetux Sensocell光鑷的時間共享光鑷微流變技術(shù)（TimSOM），（圖1）通過單束時間共享激光生成兩個光阱，一個用于進行主動振蕩，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）凝膠凝膠進行對比時，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行TimSOM測試（圖2d），結(jié)果顯示最符合分數(shù)階麥克斯韋粘彈性凝膠模型。通過以上結(jié)果可以確認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，其弛豫時間明顯延長。

圖3   BMC的粘彈性

 
為檢測年齡如何影響細胞與組織的力學(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)源性脂滴作為機械應(yīng)力探針的方法。通過驗證以下關(guān)鍵特性：折射率（n）n=1.42高于周圍細胞質(zhì)（圖4b）；直徑約1 μm以實現(xiàn)最佳捕獲剛度（圖4c）；（3）具備足夠剛度以實現(xiàn)對目標(biāo)物的有效壓痕（圖4d），確定內(nèi)源性脂滴完全適合作為流變學(xué)探針使用。

研究人員分別在年輕（第1天）與年老（第8天）成蟲的腸上皮細胞質(zhì)中實施TimSOM測量。線蟲細胞質(zhì)剛度約為斑馬魚細胞質(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行的TimSOM測試中，發(fā)現(xiàn)年輕成蟲的lmn-1突變體細胞質(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一步變化，表明lmn-1缺陷能夠?qū)е录毎�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)雜度和測量時間，顯著提升實驗通量。相較于現(xiàn)有基于雙獨立驅(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)，從活細胞內(nèi)的多種細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：
[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.
 
相關(guān)產(chǎn)品：
免校準(zhǔn)生物型光鑷-SENSOCELL：http://zfnb.cn/show1equip.asp?equipid=4839430