研究小组正在开发纳米级力传感器，并改进高精度显微镜技术

细胞内力传感器的作用原理为左。荧光蛋白(黄色和青色)来自水母，而橡皮筋部分(黑色)利用了蜘蛛网蛋白。靶蛋白结合抗体(深棕色)来源于羊驼。右图是超分辨率显微镜和常规显微镜对细胞核成像的比较。资料来源:坦佩雷大学Teemu Ihalainen

在许多情况下，细胞在运动中非常活跃，就像发电机一样。细胞产生物理力的能力是身体的基本功能之一。例如，当跑步时，细胞中产生的力量使肌肉收缩，呼吸工作。过去开发的力传感器甚至可以测量单个蛋白质所承受的力，但以前细胞内的力和机械应变是无法测量的。

坦佩雷大学的细胞生物学研究人员与俄亥俄州立大学的科学家一起开发了一种力传感器，可以附着在机械反应蛋白质的侧面，使其能够感知细胞内蛋白质上的力和张力。

微型传感器的开发始于2019年12月的一次会议旅行。

“功率传感部分就像橡皮筋，拉伸时可以改变颜色。该部分附着在橡皮筋两端的抗体上，与所研究的细胞靶蛋白结合。坦佩雷大学生物科技研究员Teemu Ihalainen说:“然后，通过跟踪橡皮筋的伸长，可以在显微镜下检测所研究蛋白质的力或伸长。”

根据Ihalainen的说法，这种只有20纳米大小的力传感器可以很容易地推广到广泛的细胞生物学研究和各种靶蛋白。在蛋白质生物传感器的帮助下，可以测量核膜中的力，不同蛋白质之间的力，或者通常在细胞的细胞骨架中。它允许细胞的机制第一次转化为可见的形式。

日本、印度、挪威和美国的许多实验室已经对这项技术产生了较大的兴趣。

细胞的内力提供了癌症机制的信息

无论是在正常的身体机能中还是在疾病中，细胞总是受到外力的影响。

例如，当癌细胞生长和移动时，细胞受到机械力的作用。当癌细胞扩散时，例如，当它进入血液或淋巴管时，癌细胞需要通过其微环境中的狭窄间隙。因此，癌细胞受到强大的压缩和拉伸力，可以分解一些细胞。细胞核的损伤会改变其基因组结构，在某些情况下，这甚至可能有利于癌症的发展。

“在传感器的帮助下，癌症的机制和相关过程可以从一个全新的角度进行监测，”Ihalainen提到。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

荧光标记的细胞核，用共聚焦显微镜成像。图像尺寸约为0.03 mm × 0.02 mm。图片来源:Teemu Ihalainen

即使是小的细节也可以用超分辨率显微镜看到

近期的另一项研究通过结合细胞生物学和信号处理专业知识来改进扩增显微镜。除了细胞生物学研究人员外，坦佩雷大学工程与自然科学学院的成像专家以及Jyväskylä大学的病毒学家也参与了这项研究。

光学显微镜的分辨率是有限的，因为样品中的小结构的细节是模糊的，由于透镜-光相互作用。然而，不同的超分辨率显微镜技术允许分离非常小的细节。其中一种技术是所谓的扩展显微镜，其原理是物理放大物体，例如细胞，从而观察其内部的微小物体。在实践中，将样品浇铸在软凝胶中，软凝胶可以膨胀四倍或更多，并且还可以放大样品的所有细节。

“然而，问题是，细胞的细节越小，可见的分子就越少。这意味着从样本中获得的信号较少，即信息较少，而且通常会有很多噪音，有点像电视屏幕上的雪，”伊哈拉宁说。

研究小组发现，解决这个问题的方法可以是对细胞进行重复荧光标记。他们产生了多次标记目标蛋白质的想法，使它们看起来更亮，提供更多的信息。

“在实践中，我们所做的是将更多的荧光分子泵入目标蛋白质，就像我们添加反射器一样。该方法简便易行，大大提高了图像的分辨率和对比度。噪声也被从图像中计算去除，这进一步提高了图像的清晰度，”他提到。

与许多超分辨率显微镜技术不同，膨胀显微镜不需要昂贵的仪器，而且易于实施。研究人员开发的这项技术对于研究非常小的细节特别有用。例如，现在甚至可以用光学显微镜观察120纳米疱疹病毒的结构。在传统的光学显微镜下，病毒只能以单个点的形式可见。

该研究“迭代免疫染色结合扩增显微镜和图像处理揭示核层的纳米级网络组织”发表在《细胞分子生物学》杂志上。

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