AM-FM液相下原位成像細(xì)胞骨架的結(jié)構(gòu)和粘彈性分布

活細(xì)胞的粘彈性力學(xué)性質(zhì)與人類(lèi)疾病的進(jìn)程息息相關(guān)，肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架（F-actin）是細(xì)胞骨架系統(tǒng)的重要組成部分，在控制細(xì)胞結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和傳感方面具有重要意義，尤其是細(xì)胞骨架的重新排列會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)的顯著變化。因此，對(duì)于細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)形貌、粘彈性力學(xué)性質(zhì)的原位表征格外重要。然而，迄今為止，已有研究方法無(wú)論是光學(xué)手段還是牽引力顯微鏡、納米壓痕等力學(xué)手段都缺乏在液相環(huán)境下對(duì)活細(xì)胞的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的原位表征。

為了這一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，中山大學(xué)物理學(xué)院物理力學(xué)與生物物理研究中心團(tuán)隊(duì)通過(guò)改進(jìn)并發(fā)展了可在液相下原位測(cè)量活細(xì)胞的多頻率調(diào)制原子力顯微鏡技術(shù)（AM-FM AFM）。對(duì)原有的只能在大氣環(huán)境下工作的AM-FM設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，將懸臂完全浸沒(méi)在液相環(huán)境中。

利用細(xì)胞培養(yǎng)基的阻尼，代替原來(lái)不能在液體中使用的阻尼材料，消除偏離原子力顯微鏡標(biāo)準(zhǔn)共振的其他介質(zhì)的擾動(dòng)， 懸臂振蕩的高效穩(wěn)定性能夠提高測(cè)量信噪比。此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)修正液相下懸臂的二階頻率漂移，定量獲得細(xì)胞合理的力學(xué)性質(zhì)。在原位微環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)形貌、粘彈性的同時(shí)成像，分辨率達(dá)到50nm。

此外，對(duì)于癌細(xì)胞而言，腫瘤組織微環(huán)境不斷酸化，癌組織中細(xì)胞外的pH值（~6.5）低于正常組織的基本值（~7.4）。在癌癥等多種疾病的研究中發(fā)現(xiàn)，酸性微環(huán)境促進(jìn)癌細(xì)胞的遷移進(jìn)程從而引起侵襲，這一過(guò)程與偽足結(jié)構(gòu)（由F-actin構(gòu)成）的改變有關(guān)。

然而，在不同的pH微環(huán)境下，細(xì)胞骨架組織、粘彈性特性和細(xì)胞遷移之間的相關(guān)性仍然知之甚少。這篇文章通過(guò)改進(jìn)的AM-FM AFM，觀察到正常環(huán)境下，癌細(xì)胞偽足中的細(xì)胞骨架呈短小、松散分布，相應(yīng)的彈性和粘性沿偽足延伸方向近乎水平。

而酸化環(huán)境下，癌細(xì)胞偽足中的F-actin聚合并編織成一個(gè)長(zhǎng)而粗的束狀結(jié)構(gòu)，指向偽足前端的延伸方向，相應(yīng)的彈性和粘性沿著該方向均呈現(xiàn)明顯的梯度增加。粘性和彈性的增加有利于癌細(xì)胞偽足前端的粘附，使細(xì)胞在收縮過(guò)程中，前端牢牢地粘附基底，并有足夠的剛性提供向前的驅(qū)動(dòng)力，利于細(xì)胞遷移過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明酸性環(huán)境下通過(guò)改變細(xì)胞骨架的構(gòu)象，使偽足前端的彈性和粘性梯度增加，從而促進(jìn)癌細(xì)胞的粘附和遷移的機(jī)制。

該研究結(jié)果對(duì)于理解細(xì)胞骨架F-actin和粘彈性在改變細(xì)胞形態(tài)和行為方面的意義具有重要指導(dǎo)作用，并為在pH微環(huán)境下癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移開(kāi)辟了一個(gè)新的納米力學(xué)機(jī)制模式。此外，該方法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞骨架在液相下結(jié)構(gòu)和粘彈性力學(xué)性質(zhì)的同時(shí)表征，并達(dá)到50nm的分辨率，為推進(jìn)不同微環(huán)境包括不同氧氣濃度、不同離子溶液等模擬不同種類(lèi)細(xì)胞的生理環(huán)境研究邁出重要的一步，從微觀結(jié)構(gòu)探索細(xì)胞的自適應(yīng)過(guò)程，為理解細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能命運(yùn)提供方法依據(jù)。

該成果以“Effect of F-actin organization in lamellipodium on viscoelasticity and migration of Huh7 cells under pH microenvironment using AM-FM atomic force microscopy”為題發(fā)表在Frontiers in Physics期刊上（doi： 10.3389/fphy.2021.674958），中山大學(xué)物理學(xué)院研究生陳苗為第一作者，朱文鵬教授和張瀟悅副教授為共同通訊作者。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目以及廣東省自然科學(xué)基金的支持。

編輯：jq