深度学习图像识别辅助原子力显微镜单细胞力学特性精准高效探测

目的 原子力显微镜（AFM）的出现为生命科学研究提供了强大工具,特别是AFM压痕实验技术已成为细胞力学特性探测的重要方法,从单细胞尺度为生理病理活动过程带来了大量新的认识,是对传统生化集群平均研究方法的有力补充。然而现有AFM压痕实验技术存在着依赖人工、效率低下等不足,严重制约了其在生命科学领域的实际应用。本文通过将光学显微成像自动目标识别技术与AFM压痕技术结合,建立了单个游离态细胞及聚团生长细胞的力学特性精准高效测量方法。方法 利用YOLO深度学习算法识别出光学图像中细胞的中心部位,并通过嵌入视觉转换器（ViT）模块的双UNet神经网络模型对细胞边缘部位进行精确分割,同时采用模板匹配算法对光学图像中AFM微球探针进行定位,在此基础上自动确定AFM探针上的微球针尖与细胞不同部位之间的空间位置关系,进而对细胞中心部位和边缘部位的力学特性进行快速测量。选取HEK 293（人胚胎肾细胞）和HGC-27（人未分化胃癌细胞）两种细胞进行验证实验,并利用Hertz模型对获取的力曲线进行分析以得到细胞杨氏模量。结果 在深度学习光学图像自动识别导引下可将AFM探针准确移动至细胞不同部位（中心和边缘）进行力学特性测量,同时实验结果表明,本文提出的方法不仅可对单个游离态细胞进行可靠测量,也适用于聚团生长的细胞。结论 深度学习图像识别在辅助AFM单细胞力学特性精准高效探测方面具有巨大潜力,将深度学习图像识别与AFM结合有助于发展面向生物医学应用的高通量单细胞力学特性测量方法。     

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。     

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...     

尼古丁受体CHRNA5 亚基突变对其功能影响的初步研究

摘要 目的：研究CHRNA5亚基突变对尼古丁受体功能的影响。方法：通过RT-PCR克隆CHRNA5基因片段,并通过重叠延伸PCR方法对CHRNA5亚基基因定点突变,从而构建CHRNA5突变型及野生型表达载体,然后转染至HEK293T细胞中,检测其基因表达。并将其分别与CHRNA3和CHRNB4共转至HEK293T细胞中,检测三质粒共转后的基因表达;通过采用尼古丁持续灌流细胞10 min,然后检测细胞内钙离子内流峰值的变化情况,接下来检测突变对转染后细胞活力的影响。结果：构建的CHRNA5表达载体在转染HEK293T细胞48 h后,能够检测到绿色荧光蛋白的表达,这证明重组载体已成功转染进HEK293T细胞;通过RT-PCR检测出转染细胞CHRNA5 mRNA表达,这证明CHRNA5突变型和野生型均在HEK293T细胞中成功进行了表达。通过尼古丁灌流细胞实验显示突变组和野生型组F340/F380峰值变化均值分别为0.865±0.048和0.447±0.127,突变体组峰值显著高于野生型组（P<0.05）。细胞活力检测实验发现0.01 mM和0.1 mM尼古丁刺激下突变组的细胞活力峰值分别为139%和137%,显著高于野生组的124%和126%,有显著差异（P<0.05）。结论：本研究成功构建了CHRNA5突变及野生型真核表达载体,发现CHRNA5的突变会导致其受体功能性改变,并影响细胞活力。     

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AFM单细胞力谱技术的淋巴瘤细胞黏附力测量

细胞黏附在细胞生理功能中起着重要的调控作用,对细胞黏附行为进行定量研究有助于理解生命活动内在机制.原子力显微镜（AFM）的出现为研究溶液环境下微纳尺度生物系统的生物物理特性提供了强大工具,特别是AFM单细胞力谱（SCFS）技术可以对单细胞黏附力进行测量.但目前利用SCFS技术进行的研究主要集中在贴壁细胞,对于动物悬浮细胞黏附行为进行的研究还较为缺乏.本文利用AFM单细胞力谱技术（SCFS）对淋巴瘤细胞黏附行为进行了定量测量.研究了淋巴瘤细胞与其单克隆抗体药物利妥昔（利妥昔单抗与淋巴瘤细胞表面的CD20结合后激活免疫攻击）之间的黏附力,分析了利妥昔浓度及SCFS测量参数对黏附力的影响,并对淋巴瘤细胞之间的黏附力进行了测量.实验结果证明了SCFS技术探测动物悬浮细胞黏附行为的能力,加深了对淋巴瘤细胞黏附作用的认识,为单细胞尺度下生物力学探测提供了新的可能.     

SS-31通过调控线粒体功能延缓细胞衰老的分子机制

摘要 目的：探讨SS-31通过调控线粒体功能延缓细胞衰老的调控效应。方法：将HEK293T细胞分为空白组、模型组、SS-31组。使用H₂O₂诱导应激性衰老模型,然后采用SS-31对HEK293T细胞进行干预。SA-β-gal衰老染色试剂盒检测细胞衰老水平;JC-1试剂盒检测细胞线粒体膜电位水平;荧光倒置显微镜观察线粒体活性氧（ROS）荧光强度;ATP检测试剂盒检测细胞内ATP水平;蛋白质免疫印迹检测P53,P21,Acetyl-p53,Sirt1蛋白表达。结果：模型组SA-β-gal阳性率高于空白组,应用SS-31后阳性率显著降低,差异具有统计学意义（P＜0.05）;ROS荧光检测：与空白组比较,模型组荧光强度上升,而SS-31组荧光强度较模型组下降,差异有统计学意义（P＜0.05）;线粒体膜电位检测：与空白组比较,模型组红色荧光强度显著下降,SS-31干预后,红色荧光强度显著上升,差异有统计学意义（P＜0.05）;ATP检测：模型组ATP水平低于对照组,SS-31组高于模型组,差异有统计学意义（P＜0.05）;此外,模型组P53,P21及Acetyl-p53蛋白表达水平较空白组增加（P＜0.05）,而SS-31组较模型组有所降低,差异有统计学意义（P＜0.05）,模型组Sirt1蛋白表达水平较空白组降低（P＜0.05）,而SS-31组较模型组升高,差异有统计学差异（P＜0.05）。结论：SS-31能够通过改善线粒体功能延缓HEK293T细胞衰老。     

槲皮素对乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞的凋亡作用及机制研究

摘要 目的：探讨槲皮素对乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞的凋亡作用,并探讨其作用机制。方法：采用活细胞计数法(CCK-8)测定槲皮素对乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞增殖的作用,分别采用细胞划痕实验和Transwell实验测定槲皮素对乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞迁移和侵袭的影响,采用流式细胞术测定槲皮素对乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞凋亡的作用,采用实时荧光定量聚合酶链反应(qRT-PCR)和免疫印迹法(West-blotting)测定槲皮素对乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞Fas、FasL、Bcl-2和Bax mRNA和蛋白表达的影响。结果：槲皮素（50~200 μmol/L）作用乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞 24 h、48 h和72 h对其增殖具有显著的抑制作用,并且呈浓度依赖性（P<0.05）;细胞划痕实验中槲皮素50 μmol/L和100 μmol/L可使乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞划痕宽度较对照组显著增加（P<0.05）;Transwell试验中槲皮素50 μmol/L和100 μmol/L可使乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435穿膜细胞较对照组显著降低（P<0.05）;槲皮素50 μmol/L和100 μmol/L可使乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞凋亡率较对照组显著升高（P<0.05）;槲皮素50 μmol/L和100 μmol/L可使乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞中Bcl-2 mRNA表达较对照组显著降低（P<0.05）,Fas、FasL和Bax mRNA表达较对照组显著升高（P<0.05）;槲皮素50 μmol/L和100 μmol/L可使乳腺癌MCF-7和MDA-MB-435细胞中Bcl-2 蛋白表达较对照组显著降低（P<0.05）,Fas、FasL和Bax 蛋白表达较对照组显著升高（P<0.05）。结论：槲皮素可促进乳腺癌细胞的凋亡,可能与其通过作用Fas/FasL凋亡信号通路而激活外源性凋亡途径,通过作用Bcl-2凋亡信号通路而激活内源性凋亡途径有关。     

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...     

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。