粘弹性原位骨架液相细胞结构(细胞粘弹性骨架伪足结构)

活细胞的粘弹性力学性质与人类疾病的进程息息相关，肌动蛋白细胞骨架(F-actin)是细胞骨架系统的重要组成部分，在控制细胞结构、运动和传感方面具有重要意义，尤其是细胞骨架的重新排列会导致力学性质的显著变化
因此，对于细胞骨架结构形貌、粘弹性力学性质的原位表征格外重要
然而，迄今为止，已有研究方法无论是光学手段还是牵引力显微镜、纳米压痕等力学手段都缺乏在液相环境下对活细胞的细胞骨架结构和力学性质的原位表征
为了这一实验目的，中山大学物理学院物理力学与生物物理研究中心团队通过改进并发展了可在液相下原位测量活细胞的多频率调制原子力显微镜技术(AM-FM AFM）
对原有的只能在大气环境下工作的AM-FM设备进行改进，将悬臂完全浸没在液相环境中，利用细胞培养基的阻尼，代替原来不能在液体中使用的阻尼材料，消除偏离原子力显微镜标准共振的其他介质的扰动， 悬臂振荡的高效稳定性能够提高测量信噪比
此外，通过实验修正液相下悬臂的二阶频率漂移，定量获得细胞合理的力学性质
如图1所示，在原位微环境下实现了细胞骨架结构形貌、粘弹性的同时成像，分辨率达到50nm
图1. 改进的AM-FM AFM技术对细胞骨架结构和粘弹性的同时表征此外，对于癌细胞而言，肿瘤组织微环境不断酸化，癌组织中细胞外的pH值(~6.5)低于正常组织的基本值(~7.4)
在癌症等多种疾病的研究中发现，酸性微环境促进癌细胞的迁移进程从而引起侵袭，这一过程与伪足结构(由F-actin构成)的改变有关
然而，在不同的pH微环境下，细胞骨架组织、粘弹性特性和细胞迁移之间的相关性仍然知之甚少
这篇文章通过改进的AM-FM AFM，观察到正常环境下，癌细胞伪足中的细胞骨架呈短小、松散分布，相应的弹性和粘性沿伪足延伸方向近乎水平（如图2所示）
而酸化环境下，癌细胞伪足中的F-actin聚合并编织成一个长而粗的束状结构，指向伪足前端的延伸方向，相应的弹性和粘性沿着该方向均呈现明显的梯度增加
粘性和弹性的增加有利于癌细胞伪足前端的粘附，使细胞在收缩过程中，前端牢牢地粘附基底，并有足够的刚性提供向前的驱动力，利于细胞迁移过程
实验结果说明酸性环境下通过改变细胞骨架的构象，使伪足前端的弹性和粘性梯度增加，从而促进癌细胞的粘附和迁移的机制
图2. 不同pH微环境下细胞伪足中细胞骨架的结构和粘弹性分布 该研究结果对于理解细胞骨架F-actin和粘弹性在改变细胞形态和行为方面的意义具有重要指导作用，并为在pH微环境下癌细胞转移开辟了一个新的纳米力学机制模式
此外，该方法实现细胞骨架在液相下结构和粘弹性力学性质的同时表征，并达到50nm的分辨率，为推进不同微环境包括不同氧气浓度、不同离子溶液等模拟不同种类细胞的生理环境研究迈出重要的一步，从微观结构探索细胞的自适应过程，为理解细胞骨架调节细胞的功能命运提供方法依据
该成果以“Effect of F-actin organization in lamellipodium on viscoelasticity and migration of Huh7 cells under pH microenvironment using AM-FM atomic force microscopy”为题发表在Frontiers in Physics期刊上（doi: 10.3389/fphy.2021.674958），中山大学物理学院研究生陈苗为第一作者，朱文鹏教授和张潇悦副教授为共同通讯作者
研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家重大科研仪器研制项目以及广东省自然科学基金的支持
论文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2021.674958/full