大家好！今天我们来了解细胞力学方法的比较研究——《A comparison of methods to assess cell mechanical properties》发表于《Nature Methods》。细胞力学对细胞的多种功能至关重要，然而不同测量方法得到的结果差异较大。本次研究选取了MCF-7细胞，使用原子力显微镜、平行板流变仪等多种方法进行测量。这些方法各有特点，测量结果受多种因素影响。通过对这些方法的比较分析，我们能更好地理解细胞力学，为相关研究提供重要参考。
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一、引言
细胞力学在细胞的多种生理过程中起着至关重要的作用，然而不同的测量方法所得到的细胞刚度和粘度值却存在很大差异。本次研究旨在对一些常用的细胞力学测量方法进行比较和分析，以揭示这些差异产生的原因，并展示不同方法之间的互补性。
二、研究材料与方法
（一）细胞培养
研究选用了MCF-7人乳腺癌细胞，细胞在37°C、5% CO₂的条件下，于添加了10%胎牛血清和青霉素-链霉素的DMEM培养基中培养，细胞每3-4天传代一次。
（二）测量方法
1、原子力显微镜（AFM）
AFM通过校准刚度的悬臂对贴壁细胞施加力或变形，利用激光偏转和光电探测器测量细胞的抵抗力。本研究使用了不同尺寸的探针，包括纳米级金字塔形探针（半径约10nm）、中尺度球锥形探针（约750nm）和微尺度球形探针（约5μm）对MCF7细胞进行测量。
2、平行板流变仪
将单个细胞置于刚性板和柔性板之间，通过恒定或振荡位移拉伸细胞，以测量细胞在整体尺度上的杨氏模量和变形能力。
3、光学拉伸仪（OS）
由双光束光镊组成，通过改变细胞-介质界面的折射率对悬浮细胞施加应力，测量细胞的蠕变顺应性和模量。该仪器集成在微流体系统中，提高了测量效率。
4、细胞单层流变学（CMR）
将细胞置于商业旋转流变仪的两个板之间，板上涂有纤连蛋白以增强细胞粘附，通过旋转板对细胞单层施加剪切变形，测量细胞的剪切模量和弹性模量。
5、磁性扭转细胞术（MTC）
利用RGD-涂层的铁磁磁珠结合到细胞表面，通过施加磁场使磁珠位移和旋转，从而量化细胞刚度。
6、粒子跟踪微流变学（PTM）
将亚微米荧光珠注入细胞内，记录珠子的自发运动，通过计算珠子的均方位移（MSD）来分析细胞的力学性质。
三、实验结果
（一）AFM测量结果
1、纳米级探针
当使用纳米级探针（如尖锐尖端，在2μm/s速度下产生约1μm压痕）测量时，细胞力学性质高度异质，细胞间差异大。例如，在细胞核中心区域，MCF-7细胞的平均静态有效杨氏弹性模量为5.5±0.8kPa，在细胞体平坦区域为3.8±0.5kPa。提高测量速度会使弹性模量增加，如在更高速度下可达10.5±0.5kPa。
2、较大探针
使用较大探针（如中间顶点半径约0.75μm的探针，以2μm/s速度压痕）时，对局部细胞异质性不敏感，弹性模量显著降低，为0.58±0.23kPa。使用5μm直径的玻璃珠（附着在无尖悬臂上）作为探针，在10μm/s压痕速度下，弹性模量为0.53±0.52kPa，在室温下6μm/s时为0.81±0.06kPa。
（二）全细胞变形测量结果
1、平行板流变仪
在1Hz振荡频率下，MCF-7细胞的粘性模量E0=340±40Pa，弹性模量E0‘=950±150Pa，幂律指数a=0.18±0.01，表明主要为弹性响应。同时还测量了细胞的松弛和蠕变函数，在1Hz时拉伸模量E0=1020±150Pa，泊松比v=0.33，剪切模量G0=380Pa。
2、光学拉伸仪
对每个细胞在0.2W/纤维功率下捕获2s，然后在0.75W/纤维功率下拉伸8s。得到平均峰值应变（在）为5.16±0.11%，平均峰值顺应性为0.053±0.001Pa-1。蠕变顺应性曲线显示细胞在悬浮时粘性行为占主导，通过拟合得到粘度约为180Pa・s，进一步使用精细模型拟合得到粘度为158±84Pa・s，从标准线性液体模型拟合得到的弹性模量为18-24Pa。
（三）多细胞测量结果
细胞单层流变学
在0.5Hz振荡频率下，MCF-7细胞的剪切模量随着施加的剪切变形幅度增加而降低。当相对变形为0.1时，细胞剪切模量G=4.6±2.2kPa，拉伸模量E=12±5.7kPa（假设泊松比为0.3）。从激励和细胞响应之间的相移提取出弹性和粘性对细胞剪切模量的贡献，分别为G=4.5±2.2kPa和G’=1.1±0.5kPa，对应弹性和粘性拉伸模量Y=12±5.7kPa和Y’’=3.9±2.9kPa。在恒定相对变形为0.02时，细胞剪切模量随着振荡频率增加而符合幂律变化，幂律指数为0.065（见图4）。
（四）基于微珠的测量结果
1、磁性扭转细胞术
MCF-7细胞的剪切模量G0=0.69±0.05kPa，弹性模量G=0.62±0.04kPa，粘性模量G‘=0.25±0.02kPa。假设泊松比为0.3，杨氏模量E0=1.78±0.12kPa，弹性模量E0=1.62±0.11kPa，粘性模量E*=0.66±0.06kPa。
2、粒子跟踪微流变学
在30Hz测量时，不同细胞培养板的弹性模量无显著差异，表明结果一致且可重复。在1Hz时，弹性模量为G‘=4.5±0.4Pa，粘性模量为G‘=10.1±0.9Pa，还可以计算出MCF-7细胞质的蠕变顺应性，珠子的蠕变顺应性峰值发生率约为7×10-3（1/Pa）。
四、研究结论
本研究通过对多种细胞力学方法的比较，展示了不同方法测量结果的差异及其原因。强调了在研究细胞力学时选择合适方法以及控制实验条件的重要性，为进一步理解细胞力学性质提供了参考。不同方法在测量细胞力学性质时各有优劣，研究者应根据具体生物学问题选择合适的测量方法。
五、一起来做做题吧
1、细胞力学对以下哪种细胞功能没有控制作用？
A. 细胞迁移
B. 细胞呼吸
C. 细胞极化
D. 细胞器组织
2、在AFM测量中，哪种探针测量时细胞力学性质异质性最高？
A. 纳米级金字塔形探针
B. 中尺度球锥形探针
C. 微尺度球形探针
D. 以上都一样
3、以下哪种测量方法是针对悬浮细胞进行测量的？
A. 细胞单层流变学
B. 光学拉伸仪
C. 原子力显微镜
D. 磁性扭转细胞术
4、MCF-7细胞在平行板流变仪1Hz振荡频率下，主要表现为什么样的响应？
A. 纯粹弹性响应
B. 纯粹粘性响应
C. 弹性为主的粘弹性响应
D. 粘性为主的粘弹性响应
5、在光学拉伸仪测量中，MCF-7细胞的平均峰值应变（在）约为多少？
A. 5.16±0.11%
B. 3.8±0.5%
C. 10.5±0.5%
D. 0.58±0.23%
参考文献：
Wu PH, et al. A comparison of methods to assess cell mechanical properties. Nat Methods. 2018 Jul;15(7):491-498.
