Nature Methods | 水凝胶基分子张力荧光显微镜：探索受体介导的刚度感应

在过去的几十年中，科学家们一直在寻找更为精确和敏感的方法来研究细胞与其环境之间的相互作用。尤其是细胞如何通过接触和机械力来“读取”并适应其外部环境的“软-硬”变化。这种细胞的“刚度感知”能力对于其正常的生理功能和在疾病状态下的行为至关重要。由于细胞与其环境之间的这种机械互动通常发生在非常微小的空间范围内，并伴随着微小的力(pN级别)，因此使用常规的生物物理方法来研究这些现象非常困难。

研究团队开发了一种可以探测细胞对ECM“软-硬”识别过程中的分子力图谱、分子力的动态频率、细胞的总牵引力以及力的方向等多维度的数据测量的实验方法，并发现不同类型细胞（成纤维细胞，肿瘤细胞以及T细胞）会以截然不同的力学策略来读取和响应ECM的刚性特征。这些研究为深入理解细胞刚度感应和机械信号传导的分子机制提供了全新视角。

基于水凝胶的分子荧光张力显微成像技术原理示意图

1. 研究背景 ：

• 细胞外基质（ECM）的硬度是影响细胞多种生物过程的关键力学线索，但目前对细胞如何感知和响应ECM硬度的分子机制理解有限。

• 开发了一种在软水凝胶表面可控和可靠地功能化DNA张力探针的方法，实现了分子张力荧光显微镜（mTFM）用于刚度感应研究。

• 该方法允许在标准共聚焦显微镜上进行水凝胶基mTFM，以探索依赖于刚度的生物过程中详细的分子力量信息。

• 成纤维细胞对基质硬度的响应是通过招募更多承载力的整合素和调节整合素采样ECM的频率，而不是简单地超载现有的整合素-配体键，以促进焦点粘附的成熟。

• ECM的硬度对T细胞受体（TCR）-配体键的pN级力量和TCR机械采样频率有正向调节作用，促进T细胞激活。

图1 与TFM耦合的分子张力探针共同报告水凝胶基底的细胞粘附力。

图 2 |在刚性感知过程中，通过整合素介导的分子力和 FA的净牵引力进行探测。

图3 |探究不同水凝胶上的整合素-ECM结合动力学。

图 4 |TCR 的机械响应调节了未成熟T细胞的硬度依赖性激活。

• 通过将DNA张力探针与金纳米颗粒（Au NPs）结合并固定在水凝胶表面，实现了对活细胞膜受体的pN级力量的成像和量化。

• 使用mTFM技术，研究人员能够在活细胞中实时成像跨膜受体（如整合素和TCR）的分子力量，并揭示了约pN级力量通过个体受体介导的细胞粘附和T细胞激活。

• 该研究提供了一种简单有效的方法来探索细胞对ECM硬度变化的力学转导过程中的分子力量信息，有助于深入理解细胞刚度感应和力学转导的分子机制。

• 通过实验验证了mTFM信号在水凝胶表面的可靠性，并展示了该方法可以与常规的牵引力显微镜（TFM）技术结合，以获得包括分子力量图像、净细胞牵引力和力量方向在内的更全面的数据。

• 文章提到了mTFM在信噪比和三维环境测量方面的挑战，并指出了未来在三维环境下测量分子力学的研究方向。

更多精彩内容

欢迎关注微信公众号