细胞机械敏感性是指细胞对外界机械刺激的感知与响应能力，这一过程在组织发育、生理功能及病理变化中起着至关重要的作用。尽管其重要性早已被认识到，但细胞如何在分子水平上感知和传导机械信号的具体机制仍不完全清楚。本文介绍了一种创新的方法，利用力控纳米移液器技术结合荧光成像，精确操控细胞膜张力并实时监测其对机械刺激的响应，旨在深入解析细胞机械敏感性的分子机制，为相关领域的研究提供新的视角和工具。
细胞能够感知和响应周围环境的物理刺激，这一过程称为机械敏感性。尽管机械调节在组织和器官的发育和生理中非常重要，但其分子和物理机制长期不明确，主要原因是缺乏合适的纳米技术工具来在单细胞水平上研究机械敏感性。Piezo1是2010年发现的一种主要的机械激活离子通道，其在蛋白、细胞和组织水平上的机械敏感过程中的作用引起了广泛关注，并因此获得了2021年诺贝尔生理学奖。
研究者开发了一种基于力控纳米移液器的方法，结合流体力显微镜（FluidFM）和荧光成像，以精确操控细胞膜张力并监测其对单细胞机械敏感性的影响。该方法能够控制施加在细胞皮层上的压痕力以及施加在质膜上的吸引压力。通过钙成像监测Piezo1机械敏感离子通道的激活，并使用荧光膜张力探针Flipper-TR评估张力传播的时空行为，进一步通过分子动力学建模进行解析。
实验设置
实验基于一种改良的FluidFM设备，优化了控制纳米压痕和微移液器吸引的功能。FluidFM探针是带有集成微流体通道的AFM悬臂梁，连接到压力控制器，实现受控的流体输送或吸引。定制的探针具有2微米直径的圆柱形尖端，设计用于模拟玻璃毛细管的几何形状。通过将探针涂覆上具有增强防污性能的共聚物PAcrAm-g-PMOXA，实现了对细胞膜的精确操控。
钙成像实验
：通过FluidFM刺激，细胞显示出全细胞钙浓度的增加，表明Piezo1通道的激活。使用钙离子通道阻断剂GsMTx4和Piezo1特异性激活剂Yoda1进一步确认了这一结果。
图1:
氟化铁与钙联合测定机械敏感性
2+
成像。
Flipper-TR成像
：通过荧光寿命成像显微镜（FLIM）技术，研究者能够定量分析膜张力变化，并跟踪其在膜上的空间分布。实验显示，随着压痕力和吸引压力的增加，局部膜张力线性增加。
图2:
流体刺激过程中的触发-TR成像量化张力变化。
机械刺激的协同效应
：通过同时控制压痕力和吸引压力，研究者发现这两种刺激对Piezo1通道的激活具有协同效应。实验结果显示，随着压痕力的增加，诱导钙响应所需的临界吸引压力降低，表明膜张力的增加促进了Piezo1通道的激活。
图3:
联合机械刺激对压波1通道激活的影响。
膜张力的局部化
：通过FLIM成像，研究者发现膜张力的变化主要局限于刺激部位，不会在整个细胞膜上传播。这一发现与细胞膜的锚定跨膜围栏模型一致，表明细胞骨架在限制膜张力传播中起着关键作用。
图4:
张力变化在完整细胞和分离膜中的传播。
膜张力的精确操控
：FluidFM技术能够精确控制细胞膜的压痕力和吸引压力，为研究细胞机械敏感性提供了新的工具。
Piezo1通道的激活机制
：实验结果表明，Piezo1通道的激活不仅取决于膜张力的增加，还受到细胞骨架的影响。膜张力的局部化和细胞骨架的机械保护作用共同决定了Piezo1通道的激活。
膜张力的时空行为
：通过FLIM成像，研究者能够实时监测膜张力的时空变化，发现膜张力的变化主要局限于刺激部位，不会在整个细胞膜上传播。
