研讨开辟出新型生物力显微镜

近期，中国迷信院生物物理研讨所研讨员李栋课题组、牛津年夜学传授Marco Fritzsche课题组和伦敦年夜学学院博士后Emad Moeendarbary课题组单干，在Nature Communications上，同期颁发题为Astigmatic traction force microscopy (aTFM)和Two-dimensional TIRF-SIM-traction force microscopy (2D TIRF-SIM-TFM)的研讨论文。研讨职员提出了两种新型生物力显微成像办法：像散牵引力构造光照明超分辩显微镜（aTFM-SIM）和二维全反射构造光超分辩牵引力显微镜（2D TIRF-SIM-TFM），可对细胞性命运动进程中与四周情况的互相作使劲进行二维或三维、高速、永劫程、超分辩率观测，并应用这两种技术研讨了年夜鼠嗜碱细胞（RBL）细胞免疫激活和哺乳植物细胞迁徙等进程中的作使劲，以及其与细胞内微丝骨架动静形变的联系关系。

生物力学（mechanobiology）是研讨性命运动中相关力学个性的学科。细胞的生物力学个性与性命运动的一些功效相关，如免疫进程、器官的苍老、皮肤和伤口愈合、血管造成、淋巴功效、骨骼、神经元和眼睛运动等性命进程。这些宏观力学进程通常产生在亚微米、皮牛和亚秒标准。牵引力显微镜（traction force microscopy）是最普遍利用于生物力学研讨的技术之一，其应用弹性物资外表的荧光微球探针观测细胞和弹性物资互作进程中的宏观作使劲。然而，传统的牵引力显微镜受限于获取微球位移的精度和速率，只能以稀少的荧光微球作为探针进行慢速的微米标准二维观测，利用范畴受限。

针对传统牵引力显微镜只能二维观测的缺陷，基于李栋课题组开辟的三维构造光超分辩显微镜（3D-SIM）对荧光微球探针和生物样品进行超分辩观测，高精度确定荧光微球的三维地位，李栋和Marco Fritzsche团队单干，已开辟实现第一代三维牵引力显微镜（3D-SIM-TFM，Nano Letters，2019， 19(7)： 4427-4434）。因为3D-SIM-TFM通过多层扫描获得微球的三维地位坐标，三维生物力丈量的速率依仍受限。针对该成绩，研讨团队提出基于柱透镜像散的力追踪显微成像办法aTFM-SIM（图1）。aTFM-SIM无需机器扫描仅单次曝光即可高精度追踪荧光微球探针的三维地位，从而盘算出细胞外表三维作使劲散布。aTFM-SIM的光阴分辩率和轴向力追踪精度比3D-SIM-TFM别离进步5倍和10倍。研讨团队进一步应用aTFM-SIM以高时、空和力精度观测了RBL细胞的免疫反馈进程（图2），以及宫颈癌细胞（HeLa）的贴壁伸展进程。

aTFM-SIM可无效研讨微米标准、秒量级和几十皮牛年夜小宏观力学互作进程，然则性命运动进程中也存在年夜量更疾速和更巨大的宏观力学作用，而且使用二维成像也能观测部门性命运动进程。为了进一步提升观测的时空精度，研讨职员使用全反射构造光超分辩显微镜（TIRF-SIM）和牵引力显微镜相联合的方式，开辟出2D-TIRF-SIM-TFM显微成像办法；应用粒子图像测速（PIV）算法代替传统的单颗粒追踪算法阐发荧光微球探针的位移，可阐发更密集的荧光微球探针，微球密度提升15~20倍，终极可无效探测几十标准、亚秒量级和皮牛年夜小的宏观力学互作。和传统牵引力显微镜相比，2D-TIRF-SIM-TFM的空间和光阴分辩率别离提升2倍和10倍以上。研讨职员观测发现，2D-TIRF-SIM-TFM可无效解析原代鲑鱼角质细胞迁移进程中的类旋涡状动静互作，而传统牵引力显微镜却不克不及。(100yiyao.com）