[發明專利]光子晶體顯微鏡和細胞力學測量方法

有效

• 申請號: 202010931803.4
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN111812095B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 顧忠澤;李奇維;陳早早
• 申請（專利權）人: 東南大學蘇州醫療器械研究院
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84;G01N21/01;G02B21/34;G02B21/06;G02B21/02;G02B21/36;G02B1/00
• 代理公司: 北京中知法苑知識產權代理有限公司 11226
• 代理人: 李明;趙吉陽

本公開實施例提供一種光子晶體顯微鏡和細胞力學測量方法。光子晶體顯微鏡包括光子晶體基底、載物臺、探測光源和成像組件，光子晶體基底在載物臺上方，探測光源和成像組件依次位于載物臺背離光子晶體基底的一側，光子晶體基底用于培養待測細胞，并且，在待測細胞在光子晶體基底上生長時，光子晶體基底能夠產生形變；其中，探測光源，用于向光子晶體基底發出探測光；光子晶體基底反射探測光至成像組件；成像組件，接收來自光子晶體基底的反射光進行成像，以利用成像圖形得到待測細胞與光子晶體基底之間的作用力信息。在保證亞細胞測量精度的前提下實現了通量的大幅度提高，簡化了算法的復雜度、提高了時間分辨率、降低裝置成本與實驗的復雜度。

技術領域

本公開屬于晶體顯微鏡技術領域，具體涉及一種光子晶體顯微鏡和細胞力學測量方法。

背景技術

細胞產生的力是細胞粘附、信號傳遞和功能的關鍵調節器，它們也是發育中形態發生事件的重要驅動力。在過去的數十年中，已經開發了多種方法來測量這些力。雖然廣大研究人員對了解這些力在生物學中的貢獻有很大的興趣，但對他們進行廣泛的測量仍然具有挑戰性。

表征細胞力存在的最簡單方法涉及測量細胞、基質或組織的變形，而不試圖將這些變形與實際的力聯系起來。例如，嵌入在膠原蛋白凝膠中的細胞將壓縮凝膠，可模仿在傷口愈合期間發生的收縮。通過在孔板中聚合的凝膠的直徑變化來初步判斷細胞力的大小。這種方法的優點是，不需要復雜的理論或測量方法對被變形的材料的機械變形進行復雜計算，以轉換變形為力。然而，基于變形的方法也有缺點。隱含在分析中的假設是，更多的壓實或回縮意味著更多的細胞力，但斷裂，塑性和材料的粘彈性可能會使這個假設無效。此外，活體材料的力學性能可以主動改變對擾動的反應，導致組織在恒定的力下發生或多或少的壓實。此外，這些變形測定的時間尺度不允許力波動的測量，無法進行重要的快速收縮細胞，如肌細胞的研究。另一種方法被用來測量壓實水凝膠中產生的力。第一種方法是使用足夠大的凝膠，以連接到外部等力傳感器。這些傳感器是現成的設備，力會改變其電壓或電阻。因此，力，而不是位移，是直接從收縮組織測量。這種系統已被用于測量由細胞產生的力從高度收縮的組織，包括皮膚成纖維細胞，心肌細胞和骨骼肌細胞。雖然這些系統提供了連續和長期的組織收縮力的測量，所需的信號處理，從力傳感器的電信號輸出轉換為實際的力所需的技能超出了大多數標準生物實驗室的能力范圍。此外，這些方法是有限的吞吐量，因為傳感器的工作范圍的下限通常是在微到毫微牛頓需要使用大型設備并手動安裝到力傳感器。

第二種方法是在系統中加入已知剛度的懸臂，這樣當組織收縮時，懸臂就會彎曲。懸臂自由端的位移可以用光學顯微鏡檢測并通過位移來理論計算組織收縮力。該系統的一個優點是可以快速測量許多懸臂的變形。該系統也可以比上述電子檢測系統具有更緊湊，這意味著它們僅需要更少的細胞和更少的細胞外基質材料且不需要手動安裝到單個傳感器上。最近，垂直懸臂已經可以從硅彈性體創建的系統，可以測量力低至100-600個細胞的合力。這些系統已經成為越來越重要的工具，用于測量細胞的力，如心肌細胞。雖然使用這些微制造的構造測量力只需要一個具有適當長工作距離的顯微鏡但系統的制造同樣需要生物實驗室中的非標技術。懸臂是由軟光刻復制成型。然而，創建原始硅母片需要微細加工設施。雖然代工廠會以一定的成本制造硅母片，但需要指定專業的技術設計。測量組織構建產生的凈收縮力可以提供有關驅動組織變形的信號的定量信息，特別是ECM的作用。然而，ECM重塑和細胞力是耦合在所產生的集合測量，因此，這取決于用于生成含細胞的ECM凝膠的具體配方。這些因素使得很難比較不同研究之間的測量結果，也很難分離出單個細胞產生的力量。