结合AFM探测副伤寒沙门氏茵B感染红细胞膜的生物力学特性

采用原子力显微镜和衍射显微术,在纳米精确尺度探测副伤寒沙门氏菌B（Sp B）感染宿主红细胞（RBC）膜微观结构和力学特性,涉及细胞的形变、膜面内剪切模量和弯曲模量。结合这两种单分子测量技术,利用相关的数学模型表述RBC膜对菌体印B的入侵非常敏感。实验结果显示,不同感染期间的SpB寄生菌体,能够引起宿主RBC膜结构改变,形变能力降低,膜剪切模量和弯曲模量显著增加。这些力学特性的变化影响RBC的输氧和循环功能。实验结果表明,印B具有独特的鞭毛调控系统,入侵的毒性菌体寄生蛋白与血影蛋白网络中的运输蛋白有特异结合位点,导致RBC膜骨架网络、波动力学和细胞内、外基质都产生应激反应,这有可能为理解勋曰感染RBC的发病机理和寄生途径提供一些新的实验思路和分析依据。     

AFM探测缺铁性贫血病人的红细胞

在纳米量级上探测红细胞生理病理特性对于揭示疾病的起源、早期诊断和有效的治疗是十分重要的。疾病可以从分子水平上扰乱红细胞的形貌和功能。缺铁性贫血病人的红细胞的形貌具有严重的表面畸形。通过高分辨率的原子力显微镜成像研究了健康人和缺铁性贫血病人红细胞的整个形貌和表面膜的差异。结果表明,红细胞的形貌参数（例如细胞的峰、谷、峰谷差、表面起伏和标准方差）可以探测健康和病理的红细胞。因此,红细胞的形貌信息可望成为诊断健康和疾病,以及评估治疗效果的重要指标。     

天花粉蛋白对红细胞损伤作用的AFM研究

目的：利用原子力显微镜（atomic force microscopy,简称AFM）观察红细胞（red blood cells,简称RBC）与天花粉蛋白（trichosanthin,简称TCS）作用后形态上的变化以及细胞膜的损伤情况。方法：将1.2mg/ml的TCS溶液与红细胞的PBS缓冲溶液（pH7.4)按1：4的比例混合,在35℃温度下作用2h后,用原子力显微镜观察受损的红细胞,与正常红细胞进行对比。结果：（1）与正常红细胞相比,与TCS作用后的红细胞的高度明显降低,凹陷部分更加明显。（2）对红细胞上小范围扫描成像的结果显示,受损后的红细胞膜表面结构发生了变化,膜表面颗粒排列的特征依然存在,但颗粒之间开始产生连接。结论：TCS能损伤红细胞膜,改变细胞膜的微结构,引起红细胞的溶血作用。     

基于多参数成像AFM的细胞及分子力学特性探测研究进展

原子力显微镜(AFM)的发明为微纳尺度下高分辨率探测天然状态生物样本的物理特性提供了强大工具,是对传统生化特性检测方法的有力补充.近年来,多参数成像模式AFM的出现使得人们不仅可以获取生物样本表面形貌特征,还能同时获取生物样本多种力学特性图(如杨氏模量、黏附力、形变等),为研究生物结构、力学特性及其生理功能之间的关联提供了新的技术手段.多参数成像AFM的生物医学应用研究为细胞/分子生理活动及相关疾病内在机理带来了大量新的认识.本文结合作者在AFM细胞探测方面的研究工作,介绍了多参数成像AFM工作原理,总结了多参数成像AFM在细胞及分子力学特性探测方面的研究进展,并对其存在的问题进行了讨论和展望.     

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...     

红细胞膜弹性特性的AFM力曲线测量

人血红细胞生存环境的微小变化都会直接影响到膜骨架蛋白网络形变和细胞膜弹性力学性能的改变。利用原子力显微镜力曲线测量红细胞膜表面弹性,根据相关力。距离曲线图谱信息,分析活性红细胞在不同生理溶液环境中细胞膜弹性、黏附性与渗透脆性等变化特征。实验结果表明,经不同生理溶液制备的红细胞在维持其渗透压平衡条件下,细胞形态特征基本正常,直径约7-8μm。当力曲线图谱表征的膜弹性等力学特性,波动较大且差异明显时,形变恢复作用力变化范围为30-150pN,黏附力变化范围为3.9-35nN。尤其是在探针接近和撤离膜表面过程中,不同程度的多峰锯齿波、压痕深度、黏滞拖拽线程和链状伸展形式的相关力曲线图谱,表征细胞膜表面存在着复杂作用力。在无Ca^2＋／Mg^2＋的D-PBS缓冲液中,通过调节Na^＋,K^＋浓度,改变生理溶液渗透压,红细胞形变显著,出现棘轮状、球形和血影空囊等形态,对应的细胞膜弹性等力曲线图谱信息也相对更为复杂。研究表明红细胞膜弹性特性和膜骨架形变都与生理环境中的溶质（糖类与晶体电解质等）、浓度和渗透压等因素有直接关系。这为深入了解生物膜的结构和动力学提供了证据,也为原子力显微镜应用于红细胞膜病的临床诊断提供了依据。     

利用AFM探测淋巴瘤细胞表面CD20抗原与其抗体的相互作用

在分子水平阐明细胞生理活动深层次的机制是当前生命科学的重要研究课题. AFM的发明为揭示细胞生理活动的分子本质提供了新的技术手段. 利用AFM单分子力谱技术在近生理环境下对B淋巴瘤细胞表面的CD20抗原与其抗体Rituximab之间的特异性结合反应进行了探索性的研究, 通过对探针进行功能化, 测量了CD20抗原与Rituximab之间的特异性结合力, 同时观察了CD20抗原在B淋巴瘤细胞表面的分布, 并分析了在外部拉力作用下, CD20-Rituximab复合物的分子内力与伸长量的关系. 实验结果为深入研究Rituximab的作用机制奠定了基础.     

原子力显微镜研究不同刺激条件下T细胞的形态和生物力学特性

T细胞的抗原识别和活化可以直接影响整个免疫应答的性质、效能和结果,在人体免疫反应中具有核心作用.细胞的形态结构和力学特性决定着细胞的功能的发挥.利用原子力显微镜（AFM）从纳米水平和皮牛顿量级探测分析静息的T细胞和不同刺激剂（超抗原SEA和植物凝集素PHA）活化的T细胞的形态结构和生物力学特性.研究发现静息的T细胞呈较为规则的圆形,细胞表面相对光滑均一,活化后细胞高度和体积明显增大,体积增大为静息T细胞的2~3倍,高度增加了约50%,这是T细胞经过刺激剂活化后增殖、分化而增大的表现.同时发现活化后的T细胞表面粗糙度增大,细胞表面形成100 nm~1 μm颗粒状团簇结构.这种微纳结构域的形成与T细胞经过活化后细胞表面分子表达和细胞因子的分泌有关,并且与免疫突触的形成和功能发挥密切关联.经过PHA和SEA活化后的T细胞表面粘附力增大,是静息的T细胞的3-6倍,而细胞硬度明显减小,这种力学特性的变化有利于T细胞与病原体的相关作用从而清除病原体.通过AFM的研究,可以进一步的了解T淋巴细胞形态变化与细胞行为之间的关系,为更好地理解T细胞的结构与功能提供了更多可视化的依据.     

基于AFM的细胞表面超微形貌成像与机械特性测量研究进展

原子力显微镜(AFM)以其独特的优势(纳米级空间分辨率、皮牛级力灵敏度、免标记、可在溶液下工作)成为细胞生物学的重要研究手段.AFM不仅可以对活细胞表面超微形貌进行可视化表征,同时还可通过压痕技术对细胞机械特性(如杨氏模量)进行定量测量,为原位探索纳米尺度下单个活细胞动态生理活动及力学行为提供了可行性.过去的数十年中,研究人员利用AFM在细胞超微形貌成像和机械特性测量方面开展了广泛的应用研究,展示了有关细胞生理活动的大量新认识,为生命医药学领域相关问题的解决提供了新的思路;同时AFM自身的性能也在不断得到改进和提升,进一步促进了其在生命科学领域的应用.本文结合作者在应用AFM观测纳米尺度下癌症靶向药物作用效能方面的研究工作,介绍了AFM成像与细胞机械特性测量的原理,总结了近年来AFM用于细胞表面超微形貌成像与机械特性测量所取得的进展,讨论了AFM表征与检测细胞生理特性存在的问题,并对其未来发展方向进行了展望.     

原子力显微镜 (AFM) 在细菌生物被膜研究中的应用

原子力显微镜(AFM)作为一项重要的表面可视化技术,以其独特的优势(纳米级的空间分辨率、皮牛级力灵敏度、免标记、可在溶液环境下工作)被广泛应用于生物被膜的研究。AFM不仅可以在近生理环境下对生物被膜表面超微形貌进行可视化表征,同时还可以通过纳米压痕对生物被膜的机械特性(弹性和粘性)进行定量测量,利用AFM单细胞和单分子力谱技术可以获得生物被膜形成过程中细胞-基底以及细胞-细胞之间的相互作用力,为生物被膜的实时原位系统研究提供了可行性。本文简述了AFM的基本操作原理,综述了近年来AFM用于生物被膜表面超微结构成像、机械特性测量以及相互作用力研究方面的进展,并对AFM在生物被膜研究中面临的问题和未来的发展方向进行了讨论。     

人角膜的生物力学特性

以人角膜为研究对象,通过建立一套规范、系统的实验方法,揭示人角膜的生物力学特性。对人角膜标本进行了单轴拉伸实验,测定了其极限强度、应力最大时的变形能及其变形能密度;循环加载实验表明应力－应变的滞后环随加载次数的增加而逐渐减小,应力－应变曲线在应力为０．１５ＭＰａ以上时能用幂指数拟合;应力松弛实验测定了应力松弛谱各参数;蠕变实验表明归一化蠕变数据和时间对数呈线性关系     

基于AFM的活体状态外泌体纳米结构及机械特性研究(英文)

外泌体在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用,研究外泌体的行为特性对于揭示生命活动及疾病发生发展的内在机理具有重要的基础意义.然而由于缺乏合适的观测手段及方法,目前对于活体状态下外泌体结构及特性的认知仍然很不足.原子力显微镜(AFM)的发明为研究溶液环境下天然状态生物样本提供了强大的技术工具,已成为生物学重要研究手段.本文利用AFM对单个活体状态外泌体的纳米结构及机械特性进行了研究.通过多聚赖氨酸静电吸附作用将从淋巴瘤患者骨髓中分离的外泌体吸附至基底,在溶液环境下实现了对单个活体状态外泌体的高质量AFM形貌成像并通过与空气中成像结果进行对比揭示了空气干燥处理对外泌体形貌的影响.在此基础上,分别利用AFM压痕试验和多参数成像技术实现了对单个活体状态外泌体机械特性的定量测量和可视化表征.最后基于所建立的方法技术揭示了化学处理后外泌体结构和机械特性的动态变化.研究结果为研究纳米尺度下活体状态外泌体的结构及特性,以更好理解天然状态外泌体的生理行为提供了新的方法和思路,对于外泌体研究具有潜在积极的意义.     

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。     

苯肼对红细胞在体衰老过程中微观流变特性的影响

在Brunara等人用苯肼使动物造成急性溶血性贫血的方法基础上,建立一种由急性溶血性贫血后,而诱发家兔幼红细胞增多的非正常生理状态的红细胞在体衰老模型,继而研究新生红细胞从产生到死亡死亡过程,即衰老过程的流变学特性的变化规律。通过对新生红细胞的压积、变形、取向及与之相应的全血的粘度、血沉等指标的连续60多天的监测,发现红细胞在衰老过程中的微观流变学特性确实有明显改变。红细胞在体衰老过程中微观流变特性逐渐变差。     

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。     

60Co辐射对网织红细胞微观流变学特性的影响

采用60Co大剂量全身均匀急性辐射的方法,造成一种辐射贫血的动物模型.以便在几天内连续研究60Co辐射对新生的网织红细胞及红细胞流变学特性的影响.采用一种在低粘切变流场中能将红细胞变形指数DI分解为取向指数(DI)or和小变形指数(DI)d的新型激光衍射法,对网织红细胞及红细胞的变形指数、取向指数、综合变形指数(IDI)等血液流变学特性参数进行测量,发现在60Co大剂量辐射后,新生的网织红细胞及红细胞流变学特性存在明显异常.将这种60Co辐射造成的贫血模型与文宗曜等提出的用抗体诱导的大量同步化的球形红细胞贫血模型相比较,后者更具有明显的优点.同时为研究辐射对血液流变特性的影响及正确地挑选红细胞衰老模型提供了理论与实验的基础.     

60Co辐射对网织红细胞微观流变学特性的影响

采用 ⁶⁰Co大剂量全身均匀急性辐射的方法,造成一种辐射贫血的动物模型.以便在几天内连续研究 ⁶⁰Co辐射对新生的网织红细胞及红细胞流变学特性的影响.采用一种在低粘切变流场中能将红细胞变形指数DI分解为取向指数（DI）_or和小变形指数（DI）_d的新型激光衍射法,对网织红细胞及红细胞的变形指数、取向指数、综合变形指数（IDI）等血液流变学特性参数进行测量,发现在 ⁶⁰Co大剂量辐射后,新生的网织红细胞及红细胞流变学特性存在明显异常.将这种 ⁶⁰Co辐射造成的贫血模型与文宗曜等提出的用抗体诱导的大量同步化的球形红细胞贫血模型相比较,后者更具有明显的优点.同时为研究辐射对血液流变特性的影响及正确地挑选红细胞衰老模型提供了理论与实验的基础.     

溶解氧对虹鳟呼吸机能及红细胞特性的影响

目的：初步研究溶解氧对虹鳟呼吸机能及红细胞特性的影响。方法：设四组溶氧水平,测定呼吸频率、血液中PO2、PCO2和pH值,并以RBC、Hb、脆性、膜粘滞性及丙二醛含量等指标观察溶氧对红细胞的影响。结果：溶解氧升高使鱼呼吸频率降低,血液PO2升高（P〈0.05）;高溶氧导致红细胞数、丙二醛含量降低。红细胞膜粘滞系数在试验第10d时,高氧组明显高于其它组,但30d时各溶氧组差异不显著。结论：在一定范围内溶解氧升高可以改善机体组织氧含量,提高呼吸功能,红细胞对溶氧变化有其生理适应性。     

生物单分子探测与成像的新进展

生物单分子研究是分子生物学向更深层次发展的自然趋势。从上世纪末开始,由于研究单分子技术的不断发展,这一领域已取得了许多重要成果。近年来活细胞内单分子过程的揭示成为关注的焦点。丈章仅从基因表达的研究、用受激发射损耗（STED）成像研究细胞膜、胞浆中单个分子的追踪以及单分子力谱在细胞生物学中的应用等几个方面说明本领域发展的现状。     

~(60)Co辐射对在体红细胞微观流变特性的影响

采用 60Co大剂量全身均匀急性辐射的方法,使动物造血系统受到严重破坏,造血机能大大减弱,在大约30天时间内,循环系统中的红细胞计数明显下降,从而造成一种辐射贫血的动物模型。以便较长时间内连续研究60Co大剂量辐射对在体红细胞流变特性的影响。采用一种在低粘切变流场中能将红细胞变形指数DI分解为取向指数 (DI)or和小变形指数 (DI)d的新型激光衍射法 [1],研究了 60Co大剂量辐射对在体红细胞变形性、全血粘度、沉降率和红细胞计数等血液流变学特性的影响 ,并与正常对照组红细胞的相应参数作比较 ,发现在60Co大剂量辐射后 ,开始这些参数变得明显异常 ,40天后逐渐接近于正常对照组水平。这表明 60Co大剂量急性辐射对动物体内造血系统的影响是长期的、严重的。将这种 60Co辐射造成的贫血模型与文宗曜等提出的用抗体诱导的大量同步化的球形红细胞贫血模型相比较 ,发现后者作为在体贫血动物模型具有更明显的优点。同时为研究辐射对血液流变特性的影响及正确地挑选红细胞衰老模型提供了理论与实验的基础。