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.     

基于AFM的临床原代细胞机械特性测量研究进展

原子力显微镜(AFM)的出现为免标记研究近生理环境下单个活体状态细胞的机械特性提供了新的技术手段.自20世纪90年代中期以来,研究人员在利用AFM测量细胞机械特性方面开展了大量研究,结果表明细胞机械特性是一个新的免标记生物标志物(可有效指示细胞生理状态的变化),加深了人们对癌症等重大疾病的认识,促进了细胞生物力学的发展.然而,现有的AFM单细胞机械特性研究主要集中在体外培养的细胞系,由于体内体外环境的巨大差异导致测量结果难以完全反映人体内的真实情况.特别是在精准医疗时代,需要对来自患者的原代细胞进行测试分析以实现疾病的个性化诊治.因此发展直接对临床患者原代细胞(癌变细胞和正常细胞)机械特性进行离体检测的方法具有潜在的转化医学实际意义.本文结合作者在基于AFM的淋巴瘤病例细胞机械特性测量与表征方面的研究工作,介绍了AFM测量细胞机械特性的原理与方法,总结了近年来AFM在检测原代细胞机械特性方面的进展,并对其面临的问题和挑战进行了讨论.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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...     

原子力显微镜研究细胞弹性的数据分析方法

细胞的力学性质与生命体的功能和健康都是息息相关的,而原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)是研究细胞力学性质最好的仪器之一。该文较为详细叙述了AFM力曲线测量原理,以及分析AFM实验数据的常用模型。作者用该文所提到的模型分析了肺癌细胞的弹性,结果显示在加载速率比较低的情况下,三种计算方法计算得到的结果没有显著差别,而在加载速率高于8μm/s时,结果则有显著差异。     

基于原子力显微镜测量内耳螺旋器的弹性特征

应用原子力显微镜分析内耳螺旋器(Corti器)不同部位的弹性特征。采用豚鼠内耳基底膜底回新鲜标本,用原子力显微镜在液相接触式测量,获得不同部位力曲线。经计算,对应Corti器相当于Hensen细胞、外毛细胞、柱细胞、内毛细胞、内指细胞、盖膜的部位及基底膜底面局部,其杨氏模量均值分别为46±1.7、59±0.9、250±31、140±2.8、430±29.9、210±7.2和230±8.8 kPa。结果表明,基底膜径向排列的组织结构不同,杨氏模量存在明显差异,在整块基底膜标本上测量Corti器各结构的杨氏模量能更准确地反映它们在生理状态下的弹性特征。     

基于AFM单细胞力谱技术的淋巴瘤细胞黏附力测量（英文）

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.     

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。     

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。     

仿生黏弹性高分子水凝胶及其生物医学应用

天然细胞外基质和生物体软组织固有的黏弹性是调控细胞行为和组织修复与再生过程的关键因素.基于动态建构化学反应交联得到的动态高分子水凝胶材料可有效模拟在体细胞或组织的黏弹性力学微环境,为体外调控细胞命运、揭示其力学生物学响应机制提供了重要工具,也为组织修复与再生提供了仿生支架材料.本综述在介绍天然细胞外基质及生物体软组织黏弹性的基础上,重点对仿生黏弹性水凝胶材料的设计思路、性能表征及影响因素等进行了概括和总结,并揭示了黏弹性水凝胶调控细胞、组织行为的规律及机制,最后,分析了目前该领域研究中所存在的问题并对未来发展方向进行了展望.本综述将有助于启发高分子水凝胶的仿生功能化设计思路及材料生物学效应研究,进一步拓展高分子水凝胶材料的生物医学应用.     

原子力显微镜在细胞弹性研究中的应用

细胞表面的力学性质会随着细胞所处环境的不同而发生改变,它的变化间接反映出胞内复杂的生理过程。原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）能以高的灵敏度和分辨率检测活体细胞,通过利用赫兹模型分析力曲线可以获得细胞的弹性信息。本文简介了原子力显微镜的工作原理与工作模式,着重介绍利用AFM力曲线检测细胞弹性的方法及其在细胞运动、细胞骨架、细胞黏附、细胞病理等方面的应用成果,表明AFM已经成为细胞弹性研究中十分重要的显微技术。     

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.     

丙烯酰胺和细胞松弛素D作用下大鼠肝细胞中黏弹性的研究

采用微管吮吸技术测定了大鼠肝细胞的黏弹性,进一步研究了丙烯酰胺(acrylamide)和细胞松弛素D(cytochalasin D,CD)以及两者混合作用后对于细胞黏弹性的影响。结果表明:在用CD、丙烯酰胺以及CD、丙烯酰胺混合处理细胞后发现细胞的黏弹性系数均明显下降。尤其是对K1的影响最大中间纤维对于黏弹性系数K1的影响要大于微丝对K1影响。而微丝于黏弹性系数K2的影响要大于中间纤维对K1的影响。另外在丙烯酰胺和细胞松弛素D两者混合作用后细胞的黏弹性系数均比两者单独使用时呈显著下降的趋势。提示中间纤维、微丝在维持细胞黏弹性这一生物力学特性方面均起着一定的作用。另外从以丙烯酰胺组和细胞松弛素D组为照组的数据中发现:丙烯酰胺和细胞松弛素D两者混合作用后细胞的黏弹性系数K1或K2也存在一定程度的降低。中间纤维和微丝可能对正常肝细胞黏弹性有一定之间的交互影响的作用。     

乳腺良性肿块与乳腺癌患者的超声弹性成像对比

目的:对比乳腺良性肿块与乳腺癌患者的超声弹性成像,明确超声弹性成像的应用价值。方法:选取2014年5月-2016年1月我院乳腺肿块患者128人次共146例肿块,根据病理结果分为乳腺良性肿块和乳腺癌,比较超声弹性成像与病理结果。结果:128个患者共计肿块146例,99例结节为良性肿块,其中32例为乳腺纤维腺瘤,29例为乳腺增生结节,20例为乳腺脂肪瘤,6例为乳腺血管脂肪瘤,4例为乳腺导管腺瘤,8例为乳腺导管内乳头状瘤;47例肿块为恶性,其中37例肿块为浸润性导管癌,9例肿块为粘液腺癌,1例肿块为硬癌。乳腺良性肿块患者81人次共99例,其中1分43例(43.43%),2分34例(34.34%),3分18例(18.18%),4分4例(4.04%);乳腺癌患者47例,其中3分9例(19.15%),4分20例(42.55%),5分18例(38.30%)。超声弹性成像鉴别乳腺良性肿块与乳腺癌的灵敏度为95.96%,特异性为80.85%,准确度为91.10%,阴性预测值为90.48%,阳性预测值为91.35%。结论:超声弹性成像鉴别乳腺良性肿块与乳腺癌的灵敏度高达95.96%,具有较高准确度,可辅助诊断乳腺疾病。     

UHRF1基因在乳腺癌循环肿瘤细胞中的表达研究

外周血液中乳腺循环癌肿瘤细胞的生物表征与转移性乳腺癌的严重程度密切相关,本研究的目的在于结合体外细胞实验探讨UHRF1基因对乳腺癌进展的意义。多重RNA原位分析乳腺癌循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTCs)中UHRF1的表达;MTT法检测UHRF1基因转染对正常乳腺细胞增殖的影响;蛋白免疫印迹检测UHRF1基因转染对正常乳腺细胞中Bax蛋白和Bcl-2蛋白的影响;Caspase-3检测试剂盒检测正常乳腺细胞中Caspase-3活性;Transwell侵袭实验和划痕愈合实验检测UHRF1基因转染对正常乳腺细胞侵袭和迁移能力的影响。研究发现,UHRF1 RNA水平在乳腺癌循环肿瘤细胞中高表达;UHRF1基因增加正常乳腺细胞增殖率;UHRF1基因降低正常乳腺细胞中Caspase-3活性;UHRF1基因降低正常乳腺细胞中Bax蛋白的表达,增加Bcl-2蛋白的表达;UHRF1基因增强正常乳腺细胞侵袭和迁移能力。本研究初步说明,UHRF1可促进正常乳腺细胞增殖,抑制正常乳腺细胞凋亡,增强正常乳腺细胞侵袭和迁移能力。     

人乳腺癌MDA-MB-231细胞裸鼠移植瘤模型的建立及生物学特性研究

目的-建立人乳腺癌MDA-MB-231细胞株裸小鼠模型,研究其生物学特性,观察MDA-MB-231乳腺癌细胞在移植前后的形态学变化。方法-将人乳腺癌细胞MDA-MB-231接种于裸鼠腋窝处皮下,每3天测量肿瘤大小,第30天处死小鼠。肿瘤组织及相关脏器送病理切片。皮下肿瘤组织细胞及细胞株培养HE染色。结果-肿瘤生长较快,成功率为72%,病理检查符合人乳腺癌细胞特征。肿瘤组织细胞及培养细胞形态学未见显著差异。结论-人乳腺癌细胞株MDA-MB-231裸小鼠模型建立方法较简便,细胞形态无明显差异,且保持了人乳腺癌的生物学特性。