结合原子力显微镜和光学图像识别的单细胞力学特性快速测量研究

目的 细胞力学特性在生理病理变化过程中起着关键调控作用,开展细胞力学特性研究为揭示生命活动奥秘及疾病发生发展演变规律提供了新的视角。原子力显微镜（AFM）的出现为单细胞力学特性研究提供了强大的技术手段。AFM的独特优势是不需要对活细胞进行任何预处理即可在溶液环境下对天然状态的活细胞力学特性进行高精度（纳米级空间分辨率,皮牛级力感知灵敏度）探测。基于AFM压痕实验的细胞力学特性探测已成为生命科学领域的重要研究方法。然而,现有基于AFM的单细胞力学特性测量主要依赖于人工操作,特别是在测量过程中需要人工控制AFM探针移动到细胞表面特定位置进行压痕实验,导致实验过程耗时费力且效率低下。本文通过将AFM与光学图像自动识别相结合建立了单细胞力学特性快速测量方法。方法 分别利用UNet++深度学习网络模型和模板匹配算法识别出光学图像中的细胞及AFM探针,在此基础上自动确定细胞和AFM探针之间的空间位置关系,并控制AFM探针准确移动至目标细胞表面进行压痕实验。在光学显微镜视觉导引下利用AFM微操作将单个微球黏附至AFM探针悬臂梁制作得到球形针尖探针。选取HEK 293（人胚胎肾细胞）和MCF-7（人乳腺癌细胞）两种细胞进行实验。利用Hertz-Sneddon模型对在细胞表面获取的力曲线进行分析得到细胞杨氏模量。结果 基于光学图像识别结果可将AFM探针针尖准确移动至目标细胞（HEK 293或MCF-7）并对细胞力学特性进行测量,同时实验结果表明本文所提出的方法不仅适用于常规AFM锥形针尖探针,也适用于AFM球形针尖探针。结论 将AFM与光学图像识别结合显著提升了AFM细胞力学特性测量效率,为高通量自动化AFM单细胞力学特性探测提供了新的方法和思路,对于细胞力学特性研究具有广泛的积极意义。     

基于原子力显微镜的溶液流动环境下癌细胞力学特性测量研究

目的 细胞力学特性在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用，开展细胞力学特性研究对于揭示生命活动内在规律具有重要意义。原子力显微镜（AFM）的发明为单细胞力学特性表征提供了新的强大工具，基于AFM压痕分析的细胞力学特性探测已成为生命科学领域的重要研究方法，为单细胞行为研究带来了大量新认识。然而，现有基于AFM的细胞力学特性研究主要集中在静态溶液环境，而癌细胞在体内转移过程中处于脉管系统的动态液流环境下，因此现有的测量结果无法完全反映溶液流动环境下的癌细胞真实生理行为，特别是目前对于肿瘤转移过程中液流环境与癌细胞之间相互作用的力学机制的认知还十分有限。本文通过将AFM与液流控制技术结合建立了溶液流动环境下的细胞力学特性测量方法。方法 基于两侧开口培养皿并结合注射泵/抽取泵液流控制搭建细胞培养基动态液流系统，并将其分别与AFM及光学倒置显微镜进行集成。选取MCF-7（人乳腺癌细胞）和HGC-27（人未分化胃癌细胞）两种癌细胞进行实验。利用细胞培养基动态液流系统培养细胞并分析溶液流速以及流动时间对细胞生长及力学特性的影响。在光学显微镜导引下控制AFM对培养基静态/流动环境下生长的细胞进行压痕实验以获取力曲线，并利用Hertz-Sneddon模型对力曲线进行分析得到细胞杨氏模量。利用荧光染色试剂分析溶液流动环境对细胞活性及细胞骨架蛋白的影响。结果 首先分析了溶液流动环境对细胞生长的影响，实验结果表明，与静态培养环境相比，培养基动态液流环境可更好地促进细胞生长。随后分别对静态和流动环境下生长的癌细胞力学特性进行了测量，结果表明当癌细胞生长环境由静态变为动态后细胞的杨氏模量显著减小，且溶液流动环境会导致细胞骨架结构的变化，显示了溶液流动环境对癌细胞力学特性的显著影响。结论 将AFM与液流控制技术结合可对溶液流动环境下的单细胞力学特性进行探测，为研究溶液流动环境与癌细胞之间的相互作用提供了新的方法和思路。     

原子力显微镜下淋巴瘤患者血浆外泌体的物理特征

目的 外泌体是细胞外囊泡的一种，被认为是一种生物信息载体。本文探究在AFM检测下淋巴瘤患者血浆中外泌体的物理特性。方法 从不同亚型淋巴瘤患者的外周血中提取外泌体，首先利用静电吸附法将分离的外泌体固定在云母基质上，然后应用原子力显微镜（AFM）扫描获取外泌体的多参数图像。在纳米/微尺度上，取得外泌体的形貌与力学信息并统计比较。结果 利用AFM表征单个外泌体的力学信息。其中，表面黏附力图像显示，外泌体边缘的能量耗散高于中心部分，因此具有显著边缘效应，来自不同亚型淋巴瘤患者的血浆中外泌体杨氏模量存在差异。结论 血浆中外泌体可被提取并在经过处理固定后可被AFM捕获并测量，血浆外泌体有望成为肿瘤诊断及治疗的新型生物标志物，外泌体的物理特性可能与其生物学性能存在关联。     

基于原子力显微镜的溶液环境下单个天然状态病毒颗粒多参数成像及纳米力学特性分析（英文）

目的 研究单个病毒颗粒的行为特性对于揭示调控病毒生命周期的内在机制、发展新型抗病毒治疗方法具有重要基础意义。原子力显微镜（AFM）的出现为高分辨率探测单个病毒颗粒的结构和力学特性提供了新的强大工具,极大地促进了物理病毒学的发展。然而,目前人们对于力学特性在病毒生命活动过程中调控作用的认知仍然很不足,特别是利用多参数AFM成像技术对病毒颗粒开展的研究还不多见。本文结合AFM多参数成像技术和压痕实验技术研究了溶液环境下化学刺激诱导的单个天然状态病毒颗粒结构及力学特性动态变化。方法 通过在盖玻片基底表面覆盖一层多聚赖氨酸以将慢病毒颗粒吸附到基底,随后利用AFM直接在溶液环境下对天然状态的单个病毒颗粒进行探测。基于AFM峰值力轻敲（PFT）多参数成像模式,同时获取单个病毒颗粒的形貌结构及力学特性图。在AFM形貌图导引下控制AFM探针移动至单个病毒颗粒中央部位进行压痕实验以测量病毒力学特性。利用75%酒精溶液对病毒颗粒进行处理后,对病毒颗粒的形貌结构及力学特性变化情况进行观测。结果 利用AFM在溶液环境下可对单个病毒颗粒的形貌及力学特性进行高质量成像表征,实验结果显示病毒颗粒在空气中和溶液中分别...     

聚乙二醇连接荧光Cy5.5构建超小超顺磁性氧化铁成像探针的制备与表征

摘要 目的：以超小超顺磁性氧化铁颗粒为载体通过聚乙二醇连接荧光Cy5.5构建核磁/荧光分子探针并表征。方法：取Cy5.5-NHS荧光粉末溶于二甲基甲砜（Dimethyl sulfoxide,DMSO）溶液,将PEG四氧化三铁颗粒离心超滤之后用磷酸盐缓冲液（Phosphate Buffered Saline,PBS）重悬纳米颗粒改变PEG化四氧化三铁纳米颗粒溶液pH。将配置好的Cy5.5荧光加入到四氧化三铁颗粒中,恒温摇床孵育,通过离心过滤器去除较大铁离子与未结合的荧光,静置后检测水合粒径及Zeta电位,纽麦小核磁检测其驰豫率,CCK-8实验检测其细胞毒性,激光共聚焦显微镜观察探针被细胞摄取情况。结果：合成Cy5.5-PEG-FeO₄探针,透射电镜（Transmission electron microscope,TEM）显示探针粒径为16.8±2.4nm,纳米颗粒的水合径为43.4±17.6 nm,Zeta电位为-18.0 mV。驰豫率为39.5 mM^-1?s^-1,R²为0.98。细胞毒性实验结果显示对细胞有轻微毒性,且毒性与浓度呈依赖性。激光共聚焦结果显示此款探针可顺利被细胞摄取。结论：成功合成Cy5.5-PEG-FeO₄探针。     

PEG-G5.NH2-FITC-DOTA(Gd)-Monalizumab/IPH4301探针的初步研究

摘要 目的：制备PEG-G5.NH2-FITC-DOTA(Gd)- Monalizumab/IPH4301纳米探针,并研究其与NK-92MI细胞的结合能力、毒性、细胞体外MRI成像能力、促进NK-92MI细胞对MDA-MB-231三阴性乳腺癌细胞的杀伤能力。方法：制备PEG-G5.NH2-FITC-DOTA(Gd)- Monalizumab/IPH4301纳米探针,利用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope,TEM）进行表征,并使用ImageJ对其粒径进行统计;通过流式细胞术分析纳米材料和NK-92MI细胞的结合能力;应用MRI对纳米探针标记的NK-92MI细胞体外成像并分析其T1加权（T1WI）的信号改变。利用蛋白印迹（Western blot）检测经过与NK-92MI细胞共培养后三阴性乳腺癌MDA-MB-231细胞凋亡相关蛋白的表达以及Elisa法检测培养体系内的IFN-γ的表达量。结果：制备的纳米探针颗粒粒径分布均匀,形态近似球形。其与NK-92MI细胞结合的量以及T1信号随着纳米探针浓度增加而逐渐增加。使用Monalizumab和IPH4301两种抗体修饰的纳米探针增强了NK-92MI细胞释放IFN-γ并促进MDA-MB-231乳腺癌细胞的凋亡。结论：PEG-G5.NH2-FITC-DOTA(Gd)-Monalizumab/IPH4301纳米探针在结合NK-92MI细胞后,可以在3.0T磁共振下进行体外成像,并增强了NK-92MI细胞对MDA-MB-231细胞的杀伤能力。     

结合微针及AFM的单细胞精准激励与力学特性同步测量

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...     

TRPA1传导皮肤角质细胞温热信息的机制研究

目的 探究角质细胞中的温热信息是如何被传导至下游背根神经节（DRG）中的TRPA1离子通道。方法 采用单细胞钙离子成像技术,利用TRPA1过表达系统以及野生型和TRPA1基因敲除小鼠,联合TRPA1激动剂（BITC）和抑制剂（HC-030031）检测H₂O₂在DRG神经元温热感知中的作用及其与TRPA1的相关性。在不同温热条件下培养皮肤角质细胞,并提取角质细胞RNA;采用RNA-seq分析比较不同温度培养的角质细胞基因表达异同,筛选皮肤角质细胞传导温热信息的候选因子。结果 过表达TRPA1以及DRG神经元中的TRPA1均可在H₂O₂存在情况下被温热激活,而温热范围内不同温度可影响皮肤角质细胞中与H₂O₂产生有关的趋化因子配体2（CCL2）和核心蛋白聚糖（DCN）基因的表达。结论 H₂O₂相关因子可能参与TRPA1介导的温热传导过程。     

多重定量PCR检测PDX模型小鼠细胞浸润比例的构建

摘要 目的：建立一种快速、灵敏的方法检测人源异种移植模型(Patient-Derived tumor Xenograft,PDX)中小鼠细胞的浸润比例,以确保PDX模型的保真性。方法：选择人和小鼠的特异性基因PSMB2、Ren 2的部分区段设计引物和探针,利用多重荧光定量PCR（TaqMan探针法）在单管中检测PDX模型中小鼠-人细胞的相对量。另外,构建了不同浸润比例的标准品作为阳性对照,根据标准曲线进行样本比例计算。结果：建立了一种多重荧光定量PCR检测PDX模型小鼠细胞浸润比例的检测方案,该方案显示,PDX模型中不同比例的人鼠混合样本与△Ct值（Ct（小鼠）-Ct（人））之间线性关系良好,相关系数r²为0.9998。利用该方法对14个样本进行检测,结果表明在绝大部分样本中小鼠细胞的比例低于30.00%,平均小鼠细胞比例为13.38%。结论：本研究建立的多重定量PCR检测PDX模型中小鼠细胞浸润比例的方法能够根据△Ct值快速、准确推断PDX模型中人、小鼠细胞的比例。该方法操作简单、耗时短、结果可靠,是一种快速、灵敏的PDX模型的质控方案。     

同源肿瘤克隆细胞蛋白表达和侵袭能力的异质性研究

摘要 目的：比较同源肿瘤细胞来源的不同单克隆表型差异。方法：采用极限稀释法,在悬浮培养条件下获取HCT116结肠癌细胞系的单个细胞,对每孔含单个的细胞进行扩增培养,获得子代单克隆,并以同样方法继续挑取单克隆,连续获得子三代克隆。根据单克隆形态特点,选取第三代的三株代表性的单克隆,采用Western blot和免疫荧光法比较其SOX2、EpCAM和Vimentin蛋白表达差异。采用放疗观察三株单克隆的Vimentin蛋白的动态变化,研究其放疗干预的时间异质性,Transwell体外侵袭实验比较克隆侵袭力的差异。结果：三株由单细胞扩增培养的同源第三代子克隆依然存在明显生物学差异。形态有明显区别的球形与不规则的克隆形态。不规则形态克隆更表现为SOX2低表达及Vimentin的高表达。并且在单个细胞水平上,同个单克隆群体内也存在个体细胞间蛋白的表达差异（Vimentin; EpCAM）。通过观察放疗前后Vimentin蛋白在不同时间点上的荧光强度,发现肿瘤单克隆细胞存在时间异质性。Transwell体外侵袭实验也显示三个同源克隆间存在明显的差异性。结论：同源的、连续单细胞扩增获得的第三代单克隆依然存在明显生物学差异,提示肿瘤内部异质性是其固有特征,并且在治疗干预下,也会引起肿瘤时间异质性的产生。