[发明专利]一种细胞力学特性测量设备及测量方法

说明书

本发明公开了一种细胞力学特性测量设备，包括激光测力系统、显微观察系统、位置控制系统、信号接收/转换与数字控制系统、后处理软件系统以及可升降载物台；激光测力系统包括双探针构件、双探针构件负重压头、激光光源和位置探测器；显微观察系统包括单筒显微镜和多光源构件；位置控制系统包括位置探测器位移控制器、激光光源位移控制器、激光测力系统位移控制器、样品台XY轴位移控制器、样品台Z轴位移控制器以及纳米Z轴位移控制器；信号接收/转换与数字控制系统包括位移台控制器、位置探测器信号处理单元以及计算机；后处理软件系统包括灵敏度测定模块、热曲线分析模块、力曲线分析模块以及全局图像处理模块。

技术领域

本发明涉及生物物理中的细胞分子信号交互作用领域，尤其涉及一种细胞力学特性测量设备及测量方法。

背景技术

细胞力学特性主要为细胞杨氏模量和细胞表面粘附特性。在细胞力学中，细胞杨氏模量反映的是细胞的硬度大小。而细胞的硬度与许多生理病理状态有关。细胞表面粘附特性指的是细胞表面分子受体与细胞外配体相互结合的力学特性。生物体生理病理状态或者细胞所处微环境的改变，都可能会对细胞表面粘附特性造成影响。在生理环境下，通常由多种受体存在于细胞表面，有些受体之间是相互独立，也有些受体与受体之间相互影响，甚至单个受体对应的多个配体相互之间也可能存在交互作用。因此，两路信号分子力学交叉作用特性的定量化分析是很有必要的。

现有技术中用于细胞力学特性测量的有微吸管、磁镊、光镊、原子力显微镜和生物膜力探针等技术。其中生物膜力探针技术中也有用于细胞信号分子交互作用分析的改进技术，即双探针生物膜力探针。在上述技术中，原子力显微镜和生物膜力探针技术与本发明最为相似，原子力显微镜技术是利用微小悬臂和探针与样品直接接触获得样品表面数据的一种技术。通过微小探针与样品接触，悬臂梁发生应变，这种应变通过光路的放大转换为电压，被光敏位置探测器接收，反应样品表面的力学信息和高度信息。这种技术一般用于样品表面高度成像扫描以及样品表面力学特性表征测量。生物膜力探针是利用微管吸吮细胞或小球表征分子间特异性相互作用力学特性的一种技术。这种技术主要通过压电控制器操控微管，实现两细胞或小球间的粘附力大小或者粘附频率。这种技术主要应用于受体-配体、抗体-抗原间结合与解离的力学特性表征。

原子力显微镜虽然可以用于样品表面高度成像扫描以及样品表面力学特性表征测量，但是其结构本身限制了在细胞信号分子交互作用研究当中的应用。主要原因在于现有装置主要采用的是单探针的设计，这就导致了在对样品进行测量的时候，一次实验只能使用一根探针。如果需要利用两根或以上探针进行测量工作时，需要进行多次实验。而在多次实验之间，由于探针架的切换以及光路的调整等机器调试工作会导致大量的时间冗余。尽管近年来发展出双探针的原子力显微镜，但在测量细胞力学特性的时候，无法在视场范围内对准两个探针所测量点位，原因是受现有系统固有的横向分辨率(一般为几百nm，可见光照明的显微镜极限分辨率为200nm)限制所致。因此，现有的双探针的原子力显微镜往往采用多点测量取平均的方法来得到平均的结果而非精准的两个测量点位的测量值。另外，现有双探针的原子力显微镜设备成本昂贵且结构复杂。

生物膜力探针技术目前已较好地应用于受体-配体、抗体-抗原间结合与解离的力学特性表征，且已有学者将其发展为双生物膜力探针结构用于细胞信号分子交互作用的研究。但这项技术仍存在缺点，即测量动态范围小以及无法测量细胞杨氏模量。在进行测量时，需要利用微吸管将细胞或小球吸附，然后进行靠近-接触-回拉的运动循环，这过程当中决定了的力测量范围无法太大，限制了这项技术的力测量动态范围大小(10¹-10³pN)。另外，这项技术采用的“探针”为吸附的细胞或小球，无法建立合适的细胞模型，所以也无法根据力-距离曲线计算合适的细胞杨氏模量结果。

另外，目前无论是商用的原子力显微镜或者是生物膜力探针技术，在进行样品测量的时候，都只能选择特定尺寸的培养皿，这是由于其紧凑的结构设计导致的，这很大程度地限制了实验样品的尺寸。

发明内容