原子力显微术研究生物样品的弹性

原子力显微术研究生物样品的弹性王艳霞2002年12月14日细胞力学及其实验方法

原子力显微术研究活细胞的性质赫兹模型细胞的弹性研究主要内容：细胞力学及其实验方法作为生命基本单元的细胞，是一个生物学的复合系统。测量细胞的弹性，在AFM面世之前就受到广泛的关注。迅速发展的细胞生物学表明，细胞内部的细胞骨架(cytoskeleton)是高度有组织的网状分子细丝。这种动态的网状组织是各种细胞功能的基础，这些细胞功能之中包括细胞的粘附和细胞的运动。对细胞结构的组分生化辨识和描述，是定量测量细胞骨架的物理性质的基础。细胞骨架是一个由肌动蛋白细丝（6―10nm）、间质细丝（7－11nm）和细胞的微管丝（25nm）组成的有机结构。细胞骨架的力学性质对于细胞的形状、细胞的扩展、细胞的蠕变、细胞的极性和细胞的分裂等其他的功能都有相当重要的决定性作用，已逐渐成为业内的共识。与悬浮细胞不同，附着细胞的变形在很大程度上决定于细胞骨架，同时还受到细胞与周围环境特别是细胞与胞外基体（ECM）之间的力学作用及生化作用的影响。正如许多工程材料一样，有外力作用在细胞表面时，细胞也会发生形变。这种变化用细胞的力学性质描述。细胞的力学性质决定于细胞的组成、细胞的结构以及细胞与周围物质的相互作用。影响细胞的力学性质的外部因素千变万化。细胞的形变性质还受到细胞内部的某些特定结构的控制，生物细胞的力学性质会影响细胞的整体形变。与其他物质不同，外力作用的同时也会产生细胞的生理反应。许多实验发现正常细胞与病态细胞的生存条件与他们周围的力学环境有关。细胞力学中的一个研究热点就是使用外力调节细胞的某些功能。

这方面的工作包括：对生物组织的细胞施加何种形式的力，能够使得细胞黏附于细胞外部的基体(cell-extracellularmatrix)；可以完成这种黏附的力的量值有多大；这些力如何在细胞内部进行转换和分布；以及它们是如何进行生物信息的传导、如何产生生理反应等等。这个方向的深入研究包括确定具体分子对机械力的转换、感知过程的途径（生理过程）、判别多个生物化学过程的层叠、确定各种分子的性质等；还可以研究细胞内部的力学调控机理，包括对细胞骨架的研究。目前，细胞力学的实验研究方法有：移液管吸入法（micropipetteaspiration)、动态反射干涉对照法(flicker)、光学钳(opticaltweezers)、扫描声学显微镜(scanningacousticmicroscope)、挤压刺探法(poking)等，测量生物样品的表面间相互作用和弹性的方法还有表面力仪等等。这些方法多数是相对较大面积内的平均特性，从而影响这些技术的空间分辨率。空间分辨率的限制，影响了对细胞力学性质的研究。AFM的横向分辨率比上述方法都高。利用AFM对细胞的力学性质的研究方法类似于，使用玻璃纤维压陷细胞的某个局部，对细胞进行挤压、刺探的方法。实验方法移液管吸入法

1989年，YoungandEvans在BiophysicalJournal

56:139–149（Corticalshell-liquidcoremodelforpassivelowofliquid-likesphericalcellsintomicropipettes）对细胞的结构和变形给出了测量方法和定量分析；1996年，J.Shao和R.M.Hochmuth等，在BiophysicalJournal71:2892–2901（Micropipettesuctionformeasuringpiconewtonforcesofadhesionandtetherformationfromneutrophilmembranes）测量了细胞膜在皮牛顿量级的作用力；1988年，Theret等，在theapplicationofahomogeneoushalf-spacemodelintheanalysisofendothelialcellmicropipettemeasurements，JournalofmechanicalEngineering

110:190－199中对上皮细胞进行了研究;1990年，Sato和Theret等，在Applicationofthemicropipettetechniquetothemeasurementofculturedporcineaorticendothelialcellviscoelasticproperties，JournalofmechanicalEngineering

112:263－268对软骨细胞进行了研究；1999年，Jones等，在AlterationsintheYoung’smodulusandvolumetricpropertiesofchodrcytesisolatedfromnormalandosteoarthritichumancartilage，Journalofmechanics

32:119－127中讨论了固体弹性模型（上皮细胞和软骨细胞）和固体粘弹性模型（软骨细胞）微移液管测量变形的弹性模量是几百帕，粘性系数是几千泊。利用闪烁或者动态反射干涉对照谱研究1987年，Zilker等人JournalofPhysics48:2139－2151，Dynamicreflectioninterferencecontract(RIC)microscopy:anewmethodtostudysurfaceexcitationsofcellsandtomeasuremembranebendingelasticmoduli；1990年，Zeman等的文章Bendingundulationsandelasticityoftheerythrocytemembrane:effectofcellshapeandmembraneorganization(EuropeanBiophysicsJournal18:203－219)。利用光学钳（红外激光阱）的方法

1989年，AshkinandDziedzic等,Internalcellmaniplulationusinginfraredlasertraps,ProceedingsoftheNationalAcademyofScience,86:7914－7918；

1992年，Svobodaetal.,Conformationandelasticityoftheisolatedredbloodcellmembraneskeleton,PhysicsJournal

63:784－793；

1995年，J,SheetzM.P.等，Mechanicalpropertiesofneuronalgrowthconemembranesstudiedbytetherformationwithlaseropticaltweezers.BiophysicalJournal68:988–96。扫描声学显微镜研究分布在细胞表面的力1991年，Luers,H.,K.Hillmann,J.Litniewski,andJ.Berciter.Acousticmicroscopyofculturedcells:distributionofforcesandcytoskeletalelements.CellBiophys.18:279–293；1995年，Bereiter-Hahn,J.,K.Ilonka,H.Luers,andM.Voth.Mechanicalbasisofcellshape:investigationswiththescanningacousticmicroscope.

Biochem.CellBiol.73:337–348。磁分析装置和剪切流量测量技术磁分析装置中磁粒子被限制于细胞外部的接收器或被引入完整的活细胞内以及各种磁分析装置。1987年，ValbergandFeldman等；1994年，WangandIngber等；1997年，Maniotis等，1993年，WangN,BulterJP,IngberPE.Science，260:1124–7。剪切流量测量技术1993年，KuoSC,LauffenburgerDA等，BiophysicalJournal;65:2191–200。表面力仪

表面力仪SFA（surfaceforceapparatus）可以测量分子尺度的表面之间的相互作用力、两表面之间的几何形状和绝对间距。两片相同厚度的背部镀银的透明云母片粘附在柱形弯曲的硅板上构成基底。不断提高灵敏度的四步机构控制两表面之间的间距在5mm范围内，该四步机构具有1埃的分辨率。利用光正常通过两表面时多光干涉条纹的移动，可测到两表面的间距达±1埃。当测到强吸引力(stronglyattractiveforces)，同时出现机构的不稳定导致表面从一个稳定的位置跳跃到另一个稳定的位置。只要力的变化量超过弹性强度(thespringstiffness)时，就会出现不稳定。对细胞进行挤压、刺探的方法早在1982，年Peterson等人，在ProceedingsofthenationalAcademyofscience(Vol.79pp5327－5331)中发表文章题为Dependencelocallymeasuredcellulardeformabilityonpositiononthecell,temperatureandcytochalasin；1990年，Zahalak等人，在JournalofBiomechanicalEngineering112:283－294中发表题为Determinationofcellularmechanicalproperitiesbycellpoking,withanapplicationtoleukocytes。这种方法刺探细胞的工具是尖锐的玻璃纤维。利用玻璃纤维的平端面压陷细胞，研究细胞基于阻抗的变形。在细胞刺探实验中，精密的玻璃针尖将细胞压陷一定量值后，迅速撤开玻璃探针，在明场模式记录逐渐释放的压陷。不同的细胞被压陷的面积明显不同，说明细胞对机械力的阻碍不同。玻璃纤维的直径为2μm。利用AFM或者称为纳米压陷器，对细胞施加一定的作用力，从而确定表面的局域性质。这些性质包括细胞膜的厚度、硬度、细胞的粘附以及表面力、摩擦力和能量分布的范围等等。同时，弹性变形正在被逐渐地重视。可以利用AFM分析力随探针移动的曲线，绘制基底的局域弹性图。对AFM成像的每点处的力进行测量、分析。在对探针－－样品系统施加负载的过程中，用赫兹模型描述细胞的弹性形变，用力学理论对样品的变形进行模拟。已有报道，在单独的点位置测量力随探针的纵向移动，通过分析力曲线绘制局域弹性图。原子力显微术研究活细胞的性质AFM不仅被用作分子、原子尺度的表面成像的工具，还可以用来测量探针与表面间的相互作用。对于生物材料，AFM除能够对生物样品成像外，还可以被用作测量和施加微小的作用力。使用力调制模式可以定性的对任何样品成像，九十年代初期就有研究活细胞报道。利用AFM研究细胞的动态变化过程，这方面的研究包括追踪细胞内部的输运材料或者细胞骨架变化、追踪细胞的活化过程等等；对于细胞的静态性质包括细胞的形貌，细胞的内部组分及细胞与细胞内部组分的性质研究。被研究的细胞包括血细胞、骨和软骨细胞、肝细胞、肺细胞等等。也有正常细胞和基因突变细胞、纽带缺乏细胞、胚胎癌细胞等等。

如图是AFM追踪人体血小板活化过程的示意图。血小板是血液中主要成分之一，对血液凝结起重要作用。在封闭伤口的过程中，血小板要经历由圆饼状眠态到扁平状的激活态。这种形状的变化伴随着一系列生物化学变化。图中追踪到活化过程的关键阶段。由图a和图b可以看到，被称为丝羽状外围突起；在随后的阶段，这些突起之间被细胞膜充满，这些细胞膜在图a到图c中被红色、蓝色箭头标出。从中心的高位置向周边输运的载体也都可见（图a中绿色箭头和图e、图f中的蓝色箭头）。对软样品的研究工作的是从对橡胶、软骨组织和活细胞等逐步开展的。如图是浸入水，或者丙醇，或者两种液体的混合液中的云母表面覆盖的明胶薄膜。在力曲线中，随着探针移向样品，直至最后接触的过程中，随时记录悬臂梁的偏移量值。然后反向移动探针，直至探针不再与样品表面接触。硬样品（100％丙醇中的明胶）的力曲线有两个区域，一是偏移量值为常量的平坦区域（未接触），此时探针没有接触样品的表面；另一个是探针触及样品表面的接触区域，悬臂梁的偏移量正比于样品的移动（图中第一条曲线的左侧倾斜部分）。如果是软样品，样品会受到探针的作用而变形，出现弹性凹陷。观察到的悬臂梁的反射量会比硬样品的小一些。力曲线相对较平坦。浸入水中的部分增多，明胶膨胀变得越来越软，曲线越来越平坦。如神经细胞、纤维原细胞和上皮细胞等真核状态的细胞，细胞的形貌和细胞的移