[发明专利]多模态生物力学显微镜及测量方法

说明书

本发明公开了一种多模态生物力学显微镜及测量方法，包括从上至下依次设置的透射光源、光子晶体水凝胶薄膜、载物台、反射光源、成像组件；光子晶体水凝胶薄膜置于载物台上并保持悬空状态，使得透射光可以穿透薄膜到达成像组件，反射光经所述薄膜反射后到达成像组件；当待测细胞置于光子晶体水凝胶薄膜上后，支撑所述待测细胞的光子晶体水凝胶薄膜发生形变，使得光子晶体水凝胶薄膜上的反射光方向发生改变，成像组件收集反射光和透射光并进行成像，得到表征细胞牵引力的阴影图像。本发明能够对细胞牵引力进行实时测量，实现传统图像信息与力学信息的多模态成像。

技术领域

本发明涉及细胞牵引力显微镜及测量方法，特别是涉及一种多模态生物力学显微镜及测量方法。

背景技术

细胞力在许多基本的生物过程中起着至关重要的作用。各种生命活动，包括心跳和身体运动，都依赖于肌肉收缩，肌肉收缩最终由个体肌肉细胞的内在收缩决定。在肌细胞中，细胞收缩是由肌球蛋白在肌动蛋白丝上连续高速滑动产生的；在非肌肉细胞中，类似的机制被用于产生细胞内张力。当这种细胞内张力通过局部锚定点(FAs)传递到细胞外基质(ECM)时，在肌动蛋白细胞骨架和ECM之间建立物理联系，这种力被称为细胞牵引力(CTF)。CTF在细胞活动的许多方面都很重要。细胞在其底层基质上应用CTF以使细胞迁移。细胞还使用CTF来感测其下面的基底的机械性质并调节它们的粘附性和形态。此外，CTF用于控制细胞形状和维持细胞张力稳态。因此，CTF是许多基本生物学过程所必需的，包括形态发生，转移，血管生成和伤口愈合。此外，CTF也是机械信号传输和转导所必需的。由于CTF通过FAs传递给ECM，FA由多种蛋白质组成，包括信号蛋白(如整合素)和酶(如激酶和磷酸酶)，任何通过ECM作用于细胞的生物、生物化学或生物力学刺激都可能导致FA蛋白、肌动蛋白细胞骨架和肌动蛋白相互作用的变化，这些变化反过来会影响CTF的“输出”。另一方面，CTF可以使ECM网络变形，从而在基质网络中产生应激和应变，进而可以调节细胞功能，如DNA合成，ECM蛋白分泌，甚至细胞分化。因此，CTF还可以用作表征单个细胞的表型变化的有用的“生物物理标记”。总之，仔细研究CTF可以更好地理解许多重要生物过程的细胞和分子机制。

目前已有多种方法来进行CTF的测量，如细胞牵引力显微镜、微柱矩阵和荧光共振能量转移等，具有不同的功能和特点。

细胞牵引力显微镜技术是通过记录培养在掺有随机分布的荧光微颗粒的聚丙烯酰胺凝胶弹性基底上的细胞在收缩或迁移过程中引起的基底弹性变形而引起的荧光颗粒位移的显微图像，再使用基于快速递推关系的数字图像相关方法，跟踪这些荧光颗粒图案的变化，以此获得基底弹性变形场，进而反演求解相应的细胞牵引力场。尽管细胞牵引力显微镜是第一个也是最为广泛使用的单细胞牵引力测试方法，然而，由于反问题的病态特点，从基底位移场获得准确的细胞牵引力场通常极为困难且计算量巨大，很大程度上是由于荧光微珠初始状态的随机性所导致的。以往的方法主要采用复杂繁琐的正则化处理来提高力反演的可靠性和精度。正则化处理的关键在于合适正则化参数的选取，这需要运用尽可能多的先验知识并结合特定的算法来实现，一般来讲，正则化参数的选取或多或少都带有一定的主观色彩，选取正则化参数最优值的过程相对困难。正则化处理的这一劣势使得以往计算方法的牵引力反演效率极低，不利于细胞实验中大量数据统计分析，同时反演精度也较低，即使通过最优的正则化参数值反演得到的结果有时也与真实情况差距较大。此外，如果微珠刚好位于牵引力平衡的位置，如两个个向ECM施加同样大小的力的细胞的中点，由于微珠没有位移，将得到该点没有牵引力的错误结果。还由于通常使用的显微成像系统在Z方向的分辨率远低于XY方向，使得最终的应力场缺乏Z方向的分辨率。

微柱阵列传感器是一种更简单的选择。微柱阵列通常是由柔性聚合物材料制成，其具有精心设计的微米级的柱高和柱间距。每根柱子就像一根迷你弹簧，通过测量其偏转，便可以识别并测量细胞在上面施加的力。微柱阵列数据比TFM实验的结果更容易解释，并且它们需要较少的计算分析。而且设备本身制造起来相当简单，且与荧光显微镜兼容。然而，这些阵列给细胞和基底之间强加了一种特定且非自然的模式，这很可能使得细胞的行为和在生物体内有较大的差异。