纳米尺寸的探针揭示细胞结构如何响应压力

通过对活细胞进行“纳米戳”并监测细胞内环境所产生的变化，研究人员首次了解了整个细胞如何响应外部机械压力。

由日本筑波国家材料科学研究所的科学家领导的团队使用一种称为原子力显微镜的技术在各种细胞表面施加力。该方法使用纳米级探针，其尖端尺寸仅为十亿分之几米，来测量和绘制力在细胞表面和整个细胞中的分布情况。

研究人员使用机器学习来分析和建模他们测量的力。他们还使用固定和染色技术来研究力变形如何影响细胞的内部结构以及构成其“骨架”的微管和肌动蛋白丝。

该研究发表在《先进材料科学与技术》杂志上。

“细胞是智能材料，可以适应周围环境的各种化学和机械刺激，”该研​​究的通讯作者之一、日本国立材料科学研究所机械生物学组组长中西淳(JunNakanishi)说。这种适应能力依赖于快速反馈机制来保持细胞的完整和健康，并且越来越多的证据表明，这种细胞反应的失败是一系列疾病的根源，包括糖尿病、帕金森病、心脏病和癌症。

到目前为止，对这些细胞反应的研究受到所使用的技术的限制——例如，一些方法要求细胞预先安装传感器，因此它们只能测量一小部分反应。“我们发明了一种用纳米级‘手’‘触摸’细胞的独特方法，这样就可以以纳米分辨率绘制整个细胞上的力分布图，”该研究的第一作者、JSPS王宏鑫说机械生物学组博士后。

研究表明，张力和压力分布在细胞内的肌动蛋白纤维和微管上，以保持其形状，类似于露营帐篷的杆和绳索的工作原理。当研究人员禁用肌动蛋白纤维的受力功能时，他们发现细胞核本身也参与平衡外力，凸显了细胞核内部结构在细胞应激反应中的作用。

研究小组还比较了健康细胞和癌细胞的反应。事实证明，癌细胞比健康细胞对外部压力更有弹性，而且它们不太可能激活细胞死亡作为反应。

这些发现不仅阐明了应激反应的复杂细胞内机制，而且癌细胞中不同反应的发现可以提供一种区分健康细胞和癌细胞的新方法——一种基于细胞力学的诊断工具。

目前，医院利用细胞的大小、形状和结构来诊断癌症。然而，这些特征并不总能提供足够的信息来区分健康细胞和患病细胞。

“我们的研究结果提供了另一种通过测量力分布来检查细胞状况的方法，这可以显着提高诊断准确性，”该研究的另一位通讯作者、NIMS电子显微镜小组的高级研究员HanZhang说。