生物物理所等開發出新型生物力顯微鏡
近期，中國科學院生物物理研究所研究員李棟課題組、牛津大學教授Marco Fritzsche課題組和倫敦大學學院博士後Emad Moeendarbary課題組合作，在Nature Communications上，同期發表題為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：像散牽引力結構光照明超分辨顯微鏡（aTFM-SIM）和二維全反射結構光超分辨牽引力顯微鏡（2D TIRF-SIM-TFM），可對細胞生命活動過程中與周圍環境的相互作用力進行二維或三維、高速、長時程、超解析度觀測，並利用這兩種技術研究了大鼠嗜鹼細胞白血病（RBL）細胞免疫激活和哺乳動物細胞遷移等過程中的作用力，以及其與細胞內微絲骨架動態形變的關聯。
生物力學（mechanobiology）是研究生命活動中相關力學特性的學科。細胞的生物力學特性與生命活動的一些功能相關，如腫瘤免疫過程、器官的衰老、皮膚和傷口癒合、血管形成、淋巴功能、骨骼、神經元和眼睛活動等生命過程。這些微觀力學過程通常發生在亞微米、皮牛和亞秒尺度。牽引力顯微鏡（traction force microscopy）是最廣泛應用於生物力學研究的技術之一，其利用彈性物質表面的熒光微球探針觀測細胞和彈性物質互作過程中的微觀作用力。然而，傳統的牽引力顯微鏡受限於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行慢速的微米尺度二維觀測，應用範圍受限。
針對傳統牽引力顯微鏡只能二維觀測的缺點，基於李棟課題組開發的三維結構光超分辨顯微鏡（3D-SIM）對熒光微球探針和生物樣品進行超分辨觀測，高精度確定熒光微球的三維位置，李棟和Marco Fritzsche團隊合作，已開發完成第一代三維牽引力顯微鏡（3D-SIM-TFM，Nano Letters，2019, 19(7): 4427-4434）。由於3D-SIM-TFM通過多層掃描得到微球的三維位置坐標，三維生物力測量的速度依仍受限。針對該問題，研究團隊提出基於柱透鏡像散的力追蹤顯微成像方法aTFM-SIM（圖1）。aTFM-SIM無需機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，從而計算出細胞表面三維作用力分布。aTFM-SIM的時間解析度和軸向力追蹤精度比3D-SIM-TFM分別提高5倍和10倍。研究團隊進一步利用aTFM-SIM以高時、空和力精度觀測了RBL細胞的免疫反應過程（圖2），以及宮頸癌細胞（HeLa）的貼壁伸展過程。
圖1.aTFM-SIM生物力測量方法示意圖
圖2.aTFM-SIM活細胞成像觀測RBL細胞免疫反應過程中的生物力，及其與微絲動態形變的關聯
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作用，並且使用二維成像也能觀測部分生命活動過程。為了進一步提升觀測的時空精度，研究人員使用全反射結構光超分辨顯微鏡（TIRF-SIM）和牽引力顯微鏡相結合的方式，開發出2D-TIRF-SIM-TFM顯微成像方法；利用粒子圖像測速（PIV）演算法取代傳統的單顆粒追蹤演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互作。和傳統牽引力顯微鏡相比，2D-TIRF-SIM-TFM的空間和時間解析度分別提升2倍和10倍以上。研究人員觀測發現，2D-TIRF-SIM-TFM可有效解析原代鮭魚角質細胞遷徙過程中的類旋渦狀動態互作，而傳統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、牛津大學博士後Huw Colin-York和博士生Liliana Barbieri、倫敦大學學院博士後Yousef Javanmardi為論文的共同第一作者，生物物理所博士後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，牛津大學博士生Liliana Barbieri、博士後Huw Colin-York和博士後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基金委、科學技術部、中科院、中國博士後科學基金的資助。
圖3.原代鮭魚角質細胞遷徙過程中的微小位移的觀測結果，2D-TIRF-SIM能清晰觀測到旋渦狀的作用力產生過程
