[发明专利]细胞膜张力的定量表征方法

说明书

本发明提供一种细胞膜张力的定量表征方法，该方法将细胞膜张力模型与细胞质粘弹性模型相结合，利用原子力显微镜对细胞膜张力进行定量表征。具体为：(1)基于AFM纳米压痕实验获得单细胞力松弛信号数据；(2)细胞力松弛曲线方程的构建；(3)细胞膜张力的定量计算。本发明提供的对活细胞的膜张力进行定量检测的检测手段有助于人们对细胞行为有着进一步更深刻的认识，也为人们通过调控细胞物理特性来对多种疾病进行早期诊断、调控和治疗提供了新的视角和方向。

技术领域

本发明涉及纳米科学和生物物理学，具体地说，涉及一种细胞膜张力的定量表征方法。

背景技术

现有的用于表征细胞膜表面力学特性常用的技术手段主要有微吸管和原子力显微镜。其中，微吸管主要针对于悬浮细胞，通过拉普拉斯公式可以实现对细胞膜张力的表征。而原子力显微镜主要针对贴壁细胞，可以根据细胞膜表面系链拉力的大小比较不同细胞膜张力的大小，但无法实现细胞膜张力的定量化检测。另外，也有利用原子力显微镜对细胞的粘弹性进行表征，但在此过程中往往忽略了细胞膜的作用。

①微吸管法测量细胞膜表面张力(Sens P，Plastino J.Membrane tension andcytoskeleton organization in cell motility[J].J Phys Condens Matter，2015，27(27)：273103)

如图1所示，对于悬浮细胞，当其部分被吸入微吸管时，其细胞膜表面张力σ可以由微吸管内压强P_i，微吸管外压强P_e，微吸管内细胞半径r_p，微吸管外细胞半径r_c根据拉普拉斯规律求得，计算公式为：

②原子力显微镜测量系链拉力大小(Mingzhai，Sun，And，et al.MultipleMembrane Tethers Probed by Atomic Force Microscopy[J].Biophysical Journal，2005，89(6)：4320-9)

如图2所示，将原子力显微镜探针的悬臂梁向下移动至细胞表面，保持探针与细胞膜接触20～30秒，然后将微悬臂从细胞表面缓慢缩回，并记录二者作用力在此过程中发生的变化。典型的探针回缩过程会导致一系列的力的不连续断裂变化，可以根据力的变化规律计算单根系链拉力的大小。

③细胞粘弹性模型

当利用原子力显微镜对细胞进行粘弹性压痕实验时，以球形探针为例，将AFM探针以一定的速度逼近细胞产生一定的压入深度后静置一段时间，即可获得细胞的力松弛曲线，Darling E M等人(Darling E M，Zauscher S，Guilak F.Viscoelastic properties ofzonal articular chondrocytes measured by atomic force microscopy[J].OsteoarthritisCartilage，2006，14(6)：571-9)给出了力松弛曲线表达式：

其中，F(t)是松弛阶段时间t时的作用力，R为球形探针半径，δ₀为压入深度，E_R是松弛模量，v为泊松比，τ_σ为恒力松弛时间常数，τ_ε为恒变松弛时间常数。

利用微吸管对细胞膜张力表征的方法更适用于悬浮细胞，对贴壁细胞却不适用。

利用原子力显微镜通过测量系链拉力的方法对细胞膜张力进行表征虽然可以对不同细胞膜张力大小进行定性表征，但无法得到细胞膜张力的定量值。

发明内容

本发明的目的是提供一种细胞膜张力的定量表征方法，该方法将细胞膜张力模型与细胞质粘弹性模型相结合，利用原子力显微镜对细胞膜张力进行定量表征。