华中科技大学团队合作开发原位测量细胞硬度及牵引力的微型机器探针

生命学院细胞生物力学团队与美国伊利诺伊大学香槟分校汪宁教授团队、美国科罗拉多大学Kristi S Anseth教授团队、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心刘真研究员团队合作，开发了原位测量细胞硬度和细胞牵引力的微型机器探针。相关研究成果于1月25日以题为“Quantifying stiffness and forces of tumor colonies and embryos using a magnetic microrobot”的研究论文，发表于《科学-机器人》（Science Robotics）。

大量的研究已经表明细胞的力学属性与化学属性在细胞活动、细胞命运等方面发挥着同等重要的作用。细胞硬度和细胞产生的牵引力作为细胞力学属性的两个重要表征，已经被领域内的专家深入研究多年，并开发了多种方法对其进行测量。原子力显微镜、光镊、细胞磁力扭曲仪等仪器都可用于测量细胞的硬度。牵引力显微术、液滴法、弹性微球等方法均可以用于测量细胞牵引力。但是目前已报道的方法都只能测量细胞的硬度或细胞牵引力，没有方法可以对细胞硬度或牵引力都进行测量。而在胚胎发育、疾病发生等生命活动过程中，细胞的力学属性始终处于动态变化的过程，因此开发能够在同一位置测量细胞硬度和牵引力的方法，对全面认识细胞力学属性对生命活动的影响具有重要意义。

测量细胞硬度，要求使用的探针必须足够硬，在加载外力时探针本身不会发生形变进而影响测量的精确性；测量细胞牵引力，要求使用的探针必须足够软，在细胞牵引力的作用下会发生形变，以便对细胞牵引力进行测量。这两方面的要求，让细胞硬度和牵引力的测量看起来处于对立面，使用一个探针对硬度和牵引力都进行测量的看起来是不可行的。

汪宁教授在1993年发明了细胞磁力扭曲仪，可对黏附在细胞表面的磁球施加作用力，通过测量磁球的运动对细胞硬度进行测量，2020年汪宁教授与生命学院细胞力学团队合作，开发了在不同加力模态下测量细胞硬度的新方法（Nat. Commun., 2020, 11:4902）。汪宁教授团队在2018年开发了可测量细胞克隆和胚胎产生的三维拉伸力、压缩力、剪切力的弹性微球法，可对细胞产生的牵引力进行全面测量（Nat. Commun., 2018,9:1878）。科罗拉多大学Kristi S Anseth教授团队开发了一种在紫外光照射下可以降解的聚乙二醇凝胶（Biomacromolecules, 2014,15:2808–2816）。这些工作为新型探针的开发奠定了坚实的基础。

汪宁教授的博士生Erfan Mohagheghian首先开发了一种铂-钴合金的十字架，并将其包裹在聚乙二醇凝胶中，制备了一种高硬度的微型机器探针。探针中的十字架在强磁场（2.9T磁共振成像仪）的作用下可被磁化，在较弱的交变磁场的驱动下（10高斯量级），会驱动整个探针发生运动，通过测量探针的运动，可测量出细胞或组织的硬度。随后用紫外光对微型机器探针照射特定的时长，使探针变软。在细胞产生的牵引力的作用下，软化的探针发生形变，通过测量探针的形变即可计算出细胞或组织产生的牵引力。


微型机器探针测量细胞硬度和牵引力示意图

研究人员将微型机器探针与小鼠黑色素瘤B16细胞共培养，使探针被细胞包裹住。通过将细胞培养在不同硬度的基质上以及不同硬度的纤维蛋白胶中，对细胞硬度和细胞牵引力进行测量，发现在恶性肿瘤发生的过程中，细胞硬度会随着细胞外基质的硬度增加而变大，但是细胞间牵引力并没有随着细胞外基质的硬度发生变化。

研究人员将这种微型机器探针注射到斑马鱼胚胎中，通过细胞磁力扭曲仪对其进行磁化，并施加交变磁场驱动磁球，对斑马鱼胚胎的硬度进行测量。随后用紫外光照射微型机器探针，使其软化后对斑马鱼胚胎产生的牵引力进行测量，发现在斑马鱼胚胎发育过程中细胞间的牵引力存在周期性的振荡，同一区域的力在拉伸力、压缩力之间来回波动。此外生命学院细胞力学团队的研究人员还通过与中国科学院刘真研究员团队合作，用荧光弹性微球长时间（连续27小时以上）测量了小鼠胚胎发育过程中细胞间作用力的变化，发现了细胞间牵引力的周期性振荡以及大幅度变化。

美国伊利诺伊大学Erfan Mohagheghian、生命学院博士研究生罗君雨、科罗拉多大学F. Max Yavitt、生命学院韦富香副教授、伊利诺伊大学Parth Bhala、Kshitij Amar为论文共同第一作者；伊利诺伊大学汪宁教授、科罗拉多大学Kristi S Anseth教授为论文共同通讯作者；华中科技大学生命学院陈俊威教授、研究生季晨阳，中科院脑科学与智能技术卓越创新中心刘真研究员、研究生刘星辰，伊利诺伊大学研究生FAZLUR RASHID，美国佛罗里达大学David P. Arnold教授、研究生Yuzheng Wang为本论文的共同作者。该工作得到了美国NIH、NSF、伊利诺伊大学、国家自然科学基金、华中科技大学青年前沿团队等项目的支持。

《科学-机器人》（ScienceRobotics）同期邀请了西班牙巴塞罗那微电子研究所José A. Plaza教授对本论文进行点评。José A. Plaza教授撰写了题为“Robotic probes at the cell scale”论文，对本论文进行了高度评价。

本论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adc9800

点评论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adf9996