免校準(zhǔn)光鑷SENSOCELL助力膜力學(xué)傳播機(jī)制研究
機(jī)械信息通過細(xì)胞骨架、細(xì)胞器和質(zhì)膜進(jìn)行傳遞，對細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)與機(jī)械傳導(dǎo)過程至關(guān)重要，并深刻影響細(xì)胞形態(tài)、信號傳導(dǎo)及代謝活動。先前研究報道，質(zhì)膜的膜庫（membrane reservoir）特性及脂質(zhì)雙分子層的流體特性會導(dǎo)致膜張力在超過松弛時間后趨于恒定，局部外力引發(fā)的張力增加會迅速傳遞至整個膜表面。但近年研究發(fā)現(xiàn)膜張力傳播存在顯著細(xì)胞類型特異性，組織培養(yǎng)細(xì)胞中傳播不明顯，而神經(jīng)元軸突中傳播距離可達(dá)數(shù)十微米。為破解這一科學(xué)謎題，巴塞羅那科學(xué)技術(shù)學(xué)院的西班牙光子科學(xué)研究所團(tuán)隊借助西班牙Impetux的免校準(zhǔn)生物型光鑷-SENSOCELL展開專項研究，該系統(tǒng)憑借免校準(zhǔn)即插即用、無需繁瑣標(biāo)定，飛牛級超高精度、多光阱同步操控、活細(xì)胞與組織原位測量及自動化軟件支持的核心優(yōu)勢，為實驗提供了高效精準(zhǔn)的技術(shù)支撐，最終在秀麗隱桿線蟲觸覺受體神經(jīng)元（TRNs）模型中取得突破性進(jìn)展。
免校準(zhǔn)生物型光鑷-SENSOCELL
研究團(tuán)隊基于SENSOCELL開發(fā)了一種基于光鑷的膜納米流變學(xué)技術(shù)（membrane nanorheology），以秀麗隱桿線蟲的觸覺受體神經(jīng)元（TRNs）作為軸突膜張力傳遞的生物物理模型，系統(tǒng)探究了軸突膜張力的傳播調(diào)控機(jī)制及細(xì)胞外力響應(yīng)適應(yīng)機(jī)制。
研究人員設(shè)計了一組實驗，利用單個分時激光源同時拉出兩個膜系鏈（membrane tethers）。首先將單個激光源以25 kHz的頻率進(jìn)行分束，產(chǎn)生兩個可以在二維獨立移動的光阱（圖1a，紫色和綠色）。然后，主動拉動光阱1（紫色）中的膜系鏈，并測量由光阱2（綠色）保持的靜態(tài)膜系鏈的力學(xué)響應(yīng)（圖1b），可以明顯看到，隨著光阱1的主動移動，產(chǎn)生明顯的膜張力，并且傳遞到光阱2。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)觸覺受體神經(jīng)元（TRN）和DVA神經(jīng)元的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)膜張力在TRN中傳播得更遠(yuǎn)、更快，說明表明膜張力傳播的范圍和速度具有細(xì)胞類型特異性。
圖1 用于測量膜張力傳播的雙光阱檢測法
研究人員基于已有的膜張力傳播模型開展計算機(jī)模擬，結(jié)果表明，張力傳播過程顯著依賴于膜的面內(nèi)彈性、粘度及膜的滲透系數(shù)k。模擬進(jìn)一步揭示，周期性排布的障礙物會降低膜的滲透率，從而限制張力沿軸突膜的傳播范圍（圖2）。
圖2 膜張力傳播的理論模型
先前的研究指出，與肌動蛋白細(xì)胞骨架相連的跨膜蛋白會阻礙膜中脂質(zhì)的流動�；谶@一認(rèn)識，研究團(tuán)隊將膜與其下方的細(xì)胞骨架視作一種復(fù)合材料，并假設(shè)細(xì)胞骨架的改變會影響膜的滲透性。不同的處理條件下的張力傳播和靜態(tài)張力結(jié)果表明，神經(jīng)元對肌動蛋白破壞的反應(yīng)依賴于藥物種類和濃度，且與LatA（能夠隔離肌動蛋白單體，干擾肌動蛋白聚合）的急性處理相比，對CytoD（能夠解聚動態(tài)肌動蛋白絲）更為敏感（圖3a,b）。接著，研究組檢測了微管是否調(diào)節(jié)沿膜的張力傳播。與對照組相比，mec-12突變體（缺乏乙�；�15-pf微管）表現(xiàn)出張力傳播減少，并且Nocodazole諾考達(dá)唑處理導(dǎo)致了更多的減少（圖3e,f），表明微管支持軸突中的膜張力傳播。
圖3 F-肌動蛋白和微管網(wǎng)絡(luò)的完整性影響張力傳播
研究團(tuán)隊采用計算機(jī)模擬方法對血影蛋白細(xì)胞骨架進(jìn)行建模，比較了隨機(jī)分布與周期性排列的障礙物所產(chǎn)生的影響（圖4b）。模擬結(jié)果表明，周期性的細(xì)胞骨架排列在短距離內(nèi)能夠增強(qiáng)張力傳播。與模型預(yù)測一致（圖4b），血影蛋白突變體在短距離內(nèi)的張力傳播程度低于野生型；而在unc-70缺失突變體的神經(jīng)突中，張力可傳播至顯著更遠(yuǎn)的距離（圖4c）。綜合實驗與模擬結(jié)果可知，周期性的膜障礙物及其相關(guān)細(xì)胞骨架成分能夠在局部限制并界定膜張力傳播的范圍。
圖4血影蛋白細(xì)胞骨架的周期性有助于短距離內(nèi)的張力傳播
最后，研究人員驗證了膜上的障礙物是否確實會影響膜張力的傳播。Stomatin同源蛋白MEC-2會在質(zhì)膜上形成凝聚體，且能夠結(jié)合膽固醇，使膜變得更硬。在MEC-2基因敲除動物中進(jìn)行的連接拉伸實驗發(fā)現(xiàn)，靜息膜的基線張力低于對照組神經(jīng)突（圖5a），張力傳播顯著增加（圖5b）；使用甲基-β-環(huán)糊精（mbCD）處理細(xì)胞以去除膜膽固醇也能增加張力傳播（圖5d）。這些數(shù)據(jù)表明 MEC-2 凝聚體作為一種障礙物，通過與膜中的膽固醇相互作用來限制膜張力的傳播。
圖5 MEC-2在膜上的凝聚限制張力傳播
研究團(tuán)隊以秀麗隱桿線蟲為模型，探究了機(jī)械應(yīng)力沿感覺神經(jīng)突膜傳播的分子機(jī)制�；赟ENSOCELL光鑷系統(tǒng)的膜系鏈拉伸實驗結(jié)果顯示，膜張力的傳播行為與生物物理模型的預(yù)測相符：膜-皮層結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致膜通透性升高（障礙物密度降低），從而使張力傳播距離增加；周期性的障礙物排列支持短距離內(nèi)的張力傳播，而更均勻、隨機(jī)分布的障礙物則有利于張力進(jìn)行長距離傳播。
在此項研究中，研究團(tuán)隊采用的免校準(zhǔn)生物光鑷系統(tǒng)SENSOCELL能夠在無需復(fù)雜校準(zhǔn)的前提下，實現(xiàn)對捕獲微球的高精度空間操控與力學(xué)測量。SENSOCELL可控制微球沿預(yù)定軌跡逼近細(xì)胞表面或從膜上脫離，同時實時、高精度地同步記錄施加于微球的力與位移信息。通過對力‑位移曲線的分析，可直接推演出細(xì)胞膜中的張力分布。此外，該系統(tǒng)支持多光阱并行操作，可在同一細(xì)胞表面同步操控多個微球、構(gòu)建多條膜連接，從而實現(xiàn)在空間上解析機(jī)械力沿細(xì)胞膜的傳播特性。
SENSOCELL 光鑷系統(tǒng)核心優(yōu)勢：
- 免校準(zhǔn)即插即用：無需繁瑣標(biāo)定流程，開機(jī)即可開展測力實驗，新手也能快速上手，大幅降低科研準(zhǔn)入門檻；
- 飛牛級超高精度：力學(xué)分辨率高達(dá) 50fN，定位精度＜1nm，可精準(zhǔn)捕捉細(xì)胞微小力學(xué)變化，為實驗數(shù)據(jù)提供可靠保障；
- 多光阱同步操控：支持高達(dá) 256 個光阱同步操作，可自定義軌跡、振蕩、拖拽等動作，實驗自由度極高，滿足復(fù)雜實驗設(shè)計需求；
- 原位測量能力突出：不僅適用于細(xì)胞、細(xì)胞核、囊泡等內(nèi)源結(jié)構(gòu)，還能深入組織內(nèi)部開展力學(xué)檢測，真正實現(xiàn)活細(xì)胞與組織的原位測量；
- 自動化軟件賦能：LightAce 軟件基于 ImageJ、μ-Manager 開發(fā)，界面友好且支持自定義實驗流程，可顯著提升科研效率。
參考文獻(xiàn)：
[1]. Català-Castro, F., Bonilla-Quintana, M., Sanfeliu-Cerdán, N., Rangamani, P., & Krieg, M. (2025). Obstacles regulate membrane tension propagation to enable localized mechanotransduction. Nature Physics, 1-12.
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