[發明專利]一種細胞牽引力與粘彈性的同時定量測定方法

有效

• 申請號: 201710398017.0
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107238661B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 周鐵安;熊倫;周珍;黃靚圓;沈海波;黃復深;鄔克彬;趙佳;洪彬
• 申請（專利權）人: 湖南農業大學
• 主分類號: G01N29/12
• 分類號: G01N29/12
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司43113
• 代理人: 何為,周棟

技術領域

本發明涉及一種細胞牽引力與粘彈性的同時定量測定方法，以實現對細胞結構與功能的定量分析。

背景技術

細胞是生物體結構和功能的基本單位，生物體對于疾病、傷害、藥物(治療)等的響應其實是細胞響應的綜合體現。活細胞通過調節其形態結構和生理機能以適應其對外界的刺激。顯然，通過實時監測這些刺激下細胞與組織層次結構形態和功能的動態變化可以預測生物體對病理與藥物(治療)的響應。目前用于活細胞功能及整體結構觀察的主要方法是光學顯微境技術,如活細胞成像技術被用于細胞形態與數目的實時觀察，亞細胞結構的變化往往依賴于生物標記物的間接測定。目前缺乏對細胞功能直接定量的方法。美國國家基金委前主任Surash在有關細胞結構-性質-功能-疾病相互關系的論述中指出：無論是細胞內部或外部環境改變及藥物等刺激下細胞結構、功能、形態的變化都將引起或伴隨細胞的力學性質，包括變形或粘彈性與黏附特性的變化。此外，細胞在與所接觸基質黏附及其極化、運動、遷移、分裂、分化過程中，將向基質施加牽引力和/或伴隨牽引力的改變。

細胞力學性能與細胞骨架的成分和結構直接相關，細胞骨架通過黏著斑復合物(focal adhesion complex)和鈣黏蛋白(cadherin)等分別與細胞外基質及相鄰細胞進行物理耦合。參與細胞力傳導的主要細胞結構包括細胞膜和與細胞膜緊密相連的細胞皮質(cortex)剛性薄層(由肌動蛋白、肌球蛋白及相關蛋白構成)，cortex通過整合素(integrin)與細胞外基質相連，隨著細胞的逐漸鋪展而與細胞外基質形成黏著斑(focal adhesions)。細胞質的肌動球蛋白(actomyosin)網絡通過與細胞核相連而對細胞外基質施加收縮或牽引力(圖1)。衡量細胞力學性能的定量參數包括細胞粘彈性與牽引力。細胞的變形、粘彈性主要是由細胞皮質剛性薄層與細胞骨架結構決定的。細胞黏附、細胞牽引力的大小與黏著斑的結構與胞內肌動蛋白、分子馬達(如肌球蛋白)及肌動球蛋白網絡結構—應力纖維有關。

基于細胞力學與細胞結構功能的緊密關系，我們提出通過包括細胞粘彈性與牽引力在內細胞力學參數的定量測定來定量測定和表征細胞的結構與功能。

目前用于細胞力學參數測定的方法主要有大類，包括1)用于細胞彈性與粘彈性測定的力施加方法和2)用于細胞牽引力測定的力敏感方法。前者向細胞施加一固定的或帶正弦交變的應力，通過測定應力引起的細胞形變或比較應力與應變的相位與振幅而求出細胞的彈性/剪切模量或一定頻率下的粘彈性存貯與損耗模量。基于全細胞變形生物力學方法，包括微吸吮、光鑷、基質或微盤伸展可得到很好解釋的單細胞硬度測量數據，可是這些方法需要將本來黏附的細胞解吸或置于與生物環境不太相關的基質上。原子力顯微鏡(AFM)、磁力扭轉細胞儀利用納米到亞微米大小的探頭來獲得目標亞細胞區域的生物力學參數及空間分辨率信息。但在這種尺度下，細胞內部非均勻性導致所測得的生物力學響應具有一定差異性。更為重要的是，這些方法由于需向細胞施加力因而對細胞有所傷害，不利于測量或獲取細胞的動態力學性質、特別是需較長時間才能觀察到的細胞功能變化過程中的力學信息。此外，這些方法主要適于單細胞測定，不適合細胞群研究。粒子示蹤微流變技術可在細胞生理環境測試細胞內部粘彈性且不需向細胞施加力，但需向細胞內注入外來熒光粒子。