崭新技术测量细胞旋转运动 有助揭示细胞病变发展与成因
细胞是生命的起源，了解细胞与其周围三维微环境的相互作用，能为细胞的成长发展和病变等生命过程提供重要线索，医学应用上有助透视疾病的成因和转变，对医疗诊断和制定合适的治疗方案产生深远的影响。edx在生物工程学领域，多细胞生物体中的大多数细胞都与微环境存在著高度复杂的多维度时空的牵引力，这对了解细胞迁移、细胞粘附、组织形变和力学传递等背后的物理机制非常重要，有助解构一些疾病如癌细胞的增长、发育以至扩散等情况。开发精密可靠的多维度细胞牵引力场显微镜一直是领域内面临的最大挑战之一。
林原博士和褚智勤博士
将LPM应用於测量完整细胞牵引力场的平面内运动。 (a) 展示细胞实验设计的示意图：作为基准标记的NDs 被随机嵌入弹性基底 (PDMS) 中；图的上下两部分分别展示了，细胞裂解前后，基於LPM方法对 NDs的朝向和位置的测量。（细胞裂解指“用洗涤剂处理 3T3 细胞”）红色虚线箭头代表著 NV 轴在样品平面上投影的方向。 (b) 对於加入NDs 的细胞，典型的明场（左图）和散射（中图）图像。目标ND （含单个NV色心）的萤光图像（右图），插入的g(2)(τ)测量结果证明了NV色心是单个的。细胞轮廓由中图内的白线勾勒出来。 (c) 一个表格，展示了：目标 ND（含单个NV色心）在细胞裂解前后的相对运动 。
细胞是生命的起源，了解细胞与其周围三维微环境的相互作用，能为细胞的成长发展和病变等生命过程提供重要线索，医学应用上有助透视疾病的成因和转变，对医疗诊断和制定合适的治疗方案产生深远的影响。
在生物工程学领域，多细胞生物体中的大多数细胞都与微环境存在著高度复杂的多维度时空的牵引力，这对了解细胞迁移、细胞粘附、组织形变和力学传递等背后的物理机制非常重要，有助解构一些疾病如癌细胞的增长、发育以至扩散等情况。
因此，开发精密可靠的多维度细胞牵引力场显微镜一直是领域内面临的最大挑战之一。其一是牵引力显微镜（traction force microscopy TFM），用以测量生物细胞对基底表面的牵引力。传统TFM存著技术局限，应用仅限於提供细胞基质上标记物的平移运动资讯。有关其他自由度，例如旋转运动等细胞在真实环境中运动的资讯，仍属推测性。
由香港大学（港大）电机电子工程系褚智勤博士和机械工程系林原博士带领的跨学科研究团队成功填补了这片技术上的空白。他们提出了一种基於纳米金刚石（NDs）中的单个氮空位（NV）色心测量细胞牵引力场的新技术。技术核心是利用线性偏振调制（linear polarization modulation LPM）NV色心萤光的方法来测量细胞基底上金刚石标记物的NV轴向，由此来追踪标记物的旋转运动。
利用新技术，研究展示了对细胞基底表面上的标记物的高精度旋转及平移运动测量。实验结果与理论计算以及之前的生物实验结果相吻合。
这项研究为测量多维度细胞牵引力场提供了新的视角，有助进一步解构细胞运动方式。研究结果已於学术期刊《纳米通讯》发表，论文题为「『纳米金刚石中单个缺陷的全光学调制：揭示细胞牵引力场中的旋转和平移运动』，并获选为期刊封面作重点研究推介。
具有NV色心的萤光金刚石，由於其超高的光稳定性、良好的生物相容性和易於化学修饰等特性，被业界视爲优秀的萤光标记物，已经广泛应用於生物领域。利用NV色心独特的光学特性，新技术的本质在於单个NV色心的光学偏振选择性激发，基於对单个NV色心萤光强度与线偏振激发镭射的偏振方向关系的测量结果，实现了金刚石标记物的高精度的朝向测量。
研究聚焦生物力学测量中的技术瓶颈问题，涵盖了生物学、工程学、化学和物理学等多个跨学科领域。褚博士说: 「目前的实验提供了一个崭新且实用的平台，对我们研究真实的三维细胞与 外环境相互作用又推进了一步。研究有助开启癌细胞力学对癌细胞研究的新篇章，具备极大的临床应用潜力，尤其是用於癌症早期检测、诊断和治疗等。」
新技术提供了一种多维力测量工具来研究细胞与其微环境之间的复杂力学相互作用，它能直观展示细胞如何识别其微环境中的物理要素，以及细胞外基质的力学性质如何改变细胞行为和功能。新技术具潜力应用於其他生物工程相关的研究，从机械工程角度，解构免疫细胞激活、组织形成和癌细胞分裂复制和侵略行爲等过程。例如，激发人体对癌细胞产生免疫反应起著主要作用的T细胞受体，已知能产生极度动态的力学变化，这对组织的生长发育起著关键作用。当前发展的高精度线性偏振调制（LPM）技术有望能够説明分析这些多维动态的力学过程并为研究组织生长发育带来新的思路。
在下一步工作中，研究团队正在积极研究新的方法去进一步提高光学成像能力并实现大范围多个纳米金刚石同时测量的目标。
文章连结：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c02232