Nature Methods:细胞机械特性评估方法的比较

研究背景

• 细胞力学的重要性 ：细胞力学性质对于胚胎发育、组织稳态以及多种疾病（如癌症、心血管疾病等）的病理过程至关重要。

• 测量方法的多样性 ：不同的测量方法可能会得到不同的结果，这可能与测量的力学应力水平、变形速率、探针几何形状、细胞探针接触面积、探针位置以及细胞外环境等因素有关。

  图1 流变试验说明

研究方法

• 细胞系 ：研究使用了MCF-7乳腺癌细胞系，这些细胞在相同的环境条件下培养，以减少细胞培养条件差异带来的影响。

• 测量技术 ：

• 原子力显微镜（AFM） ：通过不同尺寸的探针测量细胞的弹性模量。

  图2| AFM测量

• 磁扭曲细胞仪（MTC） ：使用磁性微珠测量细胞的剪切模量。

  
  图3 | 基于珠子的测量

• 粒子跟踪微流变学（PTM） ：通过跟踪细胞内荧光微粒的运动来测量细胞的流变性质。

• 平行板流变学 ：测量悬浮细胞的粘弹性性质。

  
  图4 | 全细胞变形测量

• 细胞单层流变学（CMR） ：测量细胞单层的流变性质。

  
  图5| 细胞单层流变学

• 光学拉伸（OS） ：通过光学陷阱测量悬浮细胞的粘弹性性质。

实验结果

• AFM测量 ：使用不同尺寸的探针测量了MCF-7细胞的弹性模量，发现测量结果在不同条件下变化较大，例如在核区使用尖端探针测量得到的弹性模量为5.5 ± 0.8 kPa，而在细胞体平坦区域为3.8 ± 0.5 kPa。

• 平行板流变学 ：测量了悬浮细胞的粘弹性性质，发现MCF-7细胞在1 Hz频率下的粘性模量为340 ± 40 Pa，弹性模量为950 ± 150 Pa。

• aa光学拉伸（OS） ：测量了悬浮细胞的粘弹性性质，得到的粘性模量为158 ± 84 Pa s⁻¹，弹性模量为18 ± 24 Pa。

• CMR测量 ：测量了细胞单层的流变性质，发现MCF-7细胞在0.5 Hz频率下的剪切模量为4.6 ± 2.2 kPa。

• MTC测量 ：测量了细胞表面的剪切模量，得到G₀为0.69 ± 0.05 kPa。

• PTM测量 ：测量了细胞内荧光微粒的运动，得到的弹性模量在1 Hz下为4.5 ± 0.4 Pa，在30 Hz下为0.111 ± 0.002 Pa

关键结论

• 测量方法的差异 ：不同方法测量得到的细胞弹性模量和粘度模量差异显著，范围从PTM的0.0045 kPa到AFM尖端探针的13.5 kPa。

• 影响因素 ：这些差异主要归因于测量时施加的力学应力水平、变形速率、探针几何形状、细胞探针接触面积、探针位置以及细胞外环境等因素。

• 方法选择的重要性 ：研究强调了根据具体生物学问题选择合适测量技术的重要性，因为不同的方法可能揭示细胞力学性质的不同方面。

研究意义

这项研究为理解细胞力学性质的测量方法提供了深入的比较分析，有助于未来在临床应用中选择和优化测量技术。通过比较不同方法的结果，研究人员可以更好地理解细胞力学性质的复杂性，并为相关疾病的研究和治疗提供理论支持。