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。

Measuring The Mechanical Properties of Cancerous Cells in Fluidic Environments by Atomic Force Microscopy