[发明专利]一种细胞牵引力与粘弹性的同时定量测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种细胞牵引力与粘弹性的同时定量测定方法，以实现对细胞结构与功能的定量分析。

背景技术

细胞是生物体结构和功能的基本单位，生物体对于疾病、伤害、药物(治疗)等的响应其实是细胞响应的综合体现。活细胞通过调节其形态结构和生理机能以适应其对外界的刺激。显然，通过实时监测这些刺激下细胞与组织层次结构形态和功能的动态变化可以预测生物体对病理与药物(治疗)的响应。目前用于活细胞功能及整体结构观察的主要方法是光学显微境技术,如活细胞成像技术被用于细胞形态与数目的实时观察，亚细胞结构的变化往往依赖于生物标记物的间接测定。目前缺乏对细胞功能直接定量的方法。美国国家基金委前主任Surash在有关细胞结构-性质-功能-疾病相互关系的论述中指出：无论是细胞内部或外部环境改变及药物等刺激下细胞结构、功能、形态的变化都将引起或伴随细胞的力学性质，包括变形或粘弹性与黏附特性的变化。此外，细胞在与所接触基质黏附及其极化、运动、迁移、分裂、分化过程中，将向基质施加牵引力和/或伴随牵引力的改变。

细胞力学性能与细胞骨架的成分和结构直接相关，细胞骨架通过黏着斑复合物(focal adhesion complex)和钙黏蛋白(cadherin)等分别与细胞外基质及相邻细胞进行物理耦合。参与细胞力传导的主要细胞结构包括细胞膜和与细胞膜紧密相连的细胞皮质(cortex)刚性薄层(由肌动蛋白、肌球蛋白及相关蛋白构成)，cortex通过整合素(integrin)与细胞外基质相连，随着细胞的逐渐铺展而与细胞外基质形成黏着斑(focal adhesions)。细胞质的肌动球蛋白(actomyosin)网络通过与细胞核相连而对细胞外基质施加收缩或牵引力(图1)。衡量细胞力学性能的定量参数包括细胞粘弹性与牵引力。细胞的变形、粘弹性主要是由细胞皮质刚性薄层与细胞骨架结构决定的。细胞黏附、细胞牵引力的大小与黏着斑的结构与胞内肌动蛋白、分子马达(如肌球蛋白)及肌动球蛋白网络结构—应力纤维有关。

基于细胞力学与细胞结构功能的紧密关系，我们提出通过包括细胞粘弹性与牵引力在内细胞力学参数的定量测定来定量测定和表征细胞的结构与功能。

目前用于细胞力学参数测定的方法主要有大类，包括1)用于细胞弹性与粘弹性测定的力施加方法和2)用于细胞牵引力测定的力敏感方法。前者向细胞施加一固定的或带正弦交变的应力，通过测定应力引起的细胞形变或比较应力与应变的相位与振幅而求出细胞的弹性/剪切模量或一定频率下的粘弹性存贮与损耗模量。基于全细胞变形生物力学方法，包括微吸吮、光镊、基质或微盘伸展可得到很好解释的单细胞硬度测量数据，可是这些方法需要将本来黏附的细胞解吸或置于与生物环境不太相关的基质上。原子力显微镜(AFM)、磁力扭转细胞仪利用纳米到亚微米大小的探头来获得目标亚细胞区域的生物力学参数及空间分辨率信息。但在这种尺度下，细胞内部非均匀性导致所测得的生物力学响应具有一定差异性。更为重要的是，这些方法由于需向细胞施加力因而对细胞有所伤害，不利于测量或获取细胞的动态力学性质、特别是需较长时间才能观察到的细胞功能变化过程中的力学信息。此外，这些方法主要适于单细胞测定，不适合细胞群研究。粒子示踪微流变技术可在细胞生理环境测试细胞内部粘弹性且不需向细胞施加力，但需向细胞内注入外来荧光粒子。