生物物理所等開發(fā)出新型生物力顯微鏡
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】近期，中國科學(xué)院生物物理研究所研究員李棟課題組、牛津大學(xué)教授Marco Fritzsche課題組和倫敦大學(xué)學(xué)院博士后Emad Moeendarbary課題組合作，在Nature Communications上，同期發(fā)表題為Astigmatic traction force microscopy (aTFM)和Two-dimensional TIRF-SIM-traction force microscopy (2D TIRF-SIM-TFM)的研究論文。研究人員提出了兩種新型生物力顯微成像方法：像散牽引力結(jié)構(gòu)光照明超分辨顯微鏡(aTFM-SIM)和二維全反射結(jié)構(gòu)光超分辨牽引力顯微鏡(2D TIRF-SIM-TFM)，可對細(xì)胞生命活動過程中與周圍環(huán)境的相互作用力進(jìn)行二維或三維、高速、長時程、超分辨率觀測，并利用這兩種技術(shù)研究了大鼠嗜堿細(xì)胞白血病(RBL)細(xì)胞免疫激活和哺乳動物細(xì)胞遷移等過程中的作用力，以及其與細(xì)胞內(nèi)微絲骨架動態(tài)形變的關(guān)聯(lián)。
生物力學(xué)(mechanobiology)是研究生命活動中相關(guān)力學(xué)特性的學(xué)科。細(xì)胞的生物力學(xué)特性與生命活動的一些功能相關(guān)，如腫瘤免疫過程、器官的衰老、皮膚和傷口愈合、血管形成、淋巴功能、骨骼、神經(jīng)元和眼睛活動等生命過程。這些微觀力學(xué)過程通常發(fā)生在亞微米、皮牛和亞秒尺度。牽引力顯微鏡(traction force microscopy)是最廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)研究的技術(shù)之一，其利用彈性物質(zhì)表面的熒光微球探針觀測細(xì)胞和彈性物質(zhì)互作過程中的微觀作用力。然而，傳統(tǒng)的牽引力顯微鏡受限于獲取微球位移的精度和速度，只能以稀疏的熒光微球作為探針進(jìn)行慢速的微米尺度二維觀測，應(yīng)用范圍受限。
針對傳統(tǒng)牽引力顯微鏡只能二維觀測的缺點(diǎn)，基于李棟課題組開發(fā)的三維結(jié)構(gòu)光超分辨顯微鏡(3D-SIM)對熒光微球探針和生物樣品進(jìn)行超分辨觀測，高精度確定熒光微球的三維位置，李棟和Marco Fritzsche團(tuán)隊(duì)合作，已開發(fā)完成第一代三維牽引力顯微鏡(3D-SIM-TFM，Nano Letters，2019, 19(7): 4427-4434)。由于3D-SIM-TFM通過多層掃描得到微球的三維位置坐標(biāo)，三維生物力測量的速度依仍受限。針對該問題，研究團(tuán)隊(duì)提出基于柱透鏡像散的力追蹤顯微成像方法aTFM-SIM(圖1)。aTFM-SIM無需機(jī)械掃描僅單次曝光即可高精度追蹤熒光微球探針的三維位置，從而計(jì)算出細(xì)胞表面三維作用力分布。aTFM-SIM的時間分辨率和軸向力追蹤精度比3D-SIM-TFM分別提高5倍和10倍。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用aTFM-SIM以高時、空和力精度觀測了RBL細(xì)胞的免疫反應(yīng)過程(圖2)，以及宮頸癌細(xì)胞(HeLa)的貼壁伸展過程。
aTFM-SIM可有效研究微米尺度、秒量級和幾十皮牛大小微觀力學(xué)互作過程，但是生命活動過程中也存在大量更快速和更微小的微觀力學(xué)作用，并且使用二維成像也能觀測部分生命活動過程。為了進(jìn)一步提升觀測的時空精度，研究人員使用全反射結(jié)構(gòu)光超分辨顯微鏡(TIRF-SIM)和牽引力顯微鏡相結(jié)合的方式，開發(fā)出2D-TIRF-SIM-TFM顯微成像方法；利用粒子圖像測速(PIV)算法取代傳統(tǒng)的單顆粒追蹤算法分析熒光微球探針的位移，可分析更密集的熒光微球探針，微球密度提升15~20倍，最終可有效探測幾十納米尺度、亞秒量級和皮牛大小的微觀力學(xué)互作。和傳統(tǒng)牽引力顯微鏡相比，2D-TIRF-SIM-TFM的空間和時間分辨率分別提升2倍和10倍以上。研究人員觀測發(fā)現(xiàn)，2D-TIRF-SIM-TFM可有效解析原代鮭魚角質(zhì)細(xì)胞遷徙過程中的類旋渦狀動態(tài)互作，而傳統(tǒng)牽引力顯微鏡卻不能(圖3)。
論文1(aTFM-SIM)的共同通訊作者為Emad Moeendarbary、李棟和Marco Fritzsche，生物物理所副研究員李迪、牛津大學(xué)博士后Huw Colin-York和博士生Liliana Barbieri、倫敦大學(xué)學(xué)院博士后Yousef Javanmardi為論文的共同第一作者，生物物理所博士后郭玉婷為論文第二作者。論文2(2D-TIRF-SIM-TFM)的共同通訊作者為李棟和Marco Fritzsche，牛津大學(xué)博士生Liliana Barbieri、博士后Huw Colin-York和博士后Kseniya Korobchevskaya為論文的共同第一作者，李迪為論文第二作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、科學(xué)技術(shù)部、中科院、中國博士后科學(xué)基金的資助。
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