免校準光鑷SENSOCELL助力膜力學傳播機制研究
機械信息通過細胞骨架、細胞器和質膜進行傳遞，對細胞的組織結構與機械傳導過程至關重要，并深刻影響細胞形態(tài)、信號傳導及代謝活動。先前研究報道，質膜的膜庫（membrane reservoir）特性及脂質雙分子層的流體特性會導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胞類型特異性，組織培養(yǎng)細胞中傳播不明顯，而神經(jīng)元軸突中傳播距離可達數(shù)十微米。為破解這一科學謎題，巴塞羅那科學技術學院的西班牙光子科學研究所團隊借助西班牙Impetux的免校準生物型光鑷-SENSOCELL展開專項研究，該系統(tǒng)憑借免校準即插即用、無需繁瑣標定，飛牛級超高精度、多光阱同步操控、活細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的技術支撐，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展。
免校準生物型光鑷-SENSOCELL
研究團隊基于SENSOCELL開發(fā)了一種基于光鑷的膜納米流變學技術（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控機制及細胞外力響應適應機制。
研究人員設計了一組實驗，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的頻率進行分束，產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)膜系鏈的力學響應（圖1b），可以明顯看到，隨著光阱1的主動移動，產生明顯的膜張力，并且傳遞到光阱2。進一步研究發(fā)現(xiàn)觸覺受體神經(jīng)元（TRN）和DVA神經(jīng)元的結果對比，發(fā)現(xiàn)膜張力在TRN中傳播得更遠、更快，說明表明膜張力傳播的范圍和速度具有細胞類型特異性。
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模擬，結果表明，張力傳播過程顯著依賴于膜的面內彈性、粘度及膜的滲透系數(shù)k。模擬進一步揭示，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，與肌動蛋白細胞骨架相連的跨膜蛋白會阻礙膜中脂質的流動�；谶@一認識，研究團隊將膜與其下方的細胞骨架視作一種復合材料，并假設細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)張力結果表明，神經(jīng)元對肌動蛋白破壞的反應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節(jié)沿膜的張力傳播。與對照組相比，mec-12突變體（缺乏乙酰化的15-pf微管）表現(xiàn)出張力傳播減少，并且Nocodazole諾考達唑處理導致了更多的減少（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)絡的完整性影響張力傳播
研究團隊采用計算機模擬方法對血影蛋白細胞骨架進行建模，比較了隨機分布與周期性排列的障礙物所產生的影響（圖4b）。模擬結果表明，周期性的細胞骨架排列在短距離內能夠增強張力傳播。與模型預測一致（圖4b），血影蛋白突變體在短距離內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的距離（圖4c）。綜合實驗與模擬結果可知，周期性的膜障礙物及其相關細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血影蛋白細胞骨架的周期性有助于短距離內的張力傳播
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會在質膜上形成凝聚體，且能夠結合膽固醇，使膜變得更硬。在MEC-2基因敲除動物中進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
研究團隊以秀麗隱桿線蟲為模型，探究了機械應力沿感覺神經(jīng)突膜傳播的分子機制�；赟ENSOCELL光鑷系統(tǒng)的膜系鏈拉伸實驗結果顯示，膜張力的傳播行為與生物物理模型的預測相符：膜-皮層結構的破壞導致膜通透性升高（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的張力傳播，而更均勻、隨機分布的障礙物則有利于張力進行長距離傳播。
在此項研究中，研究團隊采用的免校準生物光鑷系統(tǒng)SENSOCELL能夠在無需復雜校準的前提下，實現(xiàn)對捕獲微球的高精度空間操控與力學測量。SENSOCELL可控制微球沿預定軌跡逼近細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，可在同一細胞表面同步操控多個微球、構建多條膜連接，從而實現(xiàn)在空間上解析機械力沿細胞膜的傳播特性。
SENSOCELL 光鑷系統(tǒng)核心優(yōu)勢：
- 免校準即插即用：無需繁瑣標定流程，開機即可開展測力實驗，新手也能快速上手，大幅降低科研準入門檻；
- 飛牛級超高精度：力學分辨率高達 50fN，定位精度＜1nm，可精準捕捉細胞微小力學變化，為實驗數(shù)據(jù)提供可靠保障；
- 多光阱同步操控：支持高達 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，滿足復雜實驗設計需求；
- 原位測量能力突出：不僅適用于細胞、細胞核、囊泡等內源結構，還能深入組織內部開展力學檢測，真正實現(xiàn)活細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：
[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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