細(xì)胞內(nèi)力傳感器的作用原理為左。熒光蛋白(黃色和青色)來自水母，而橡皮筋部分(黑色)利用了蜘蛛網(wǎng)蛋白。靶蛋白結(jié)合抗體(深棕色)來源于羊駝。右圖是超分辨率顯微鏡和常規(guī)顯微鏡對細(xì)胞核成像的比較。資料來源:坦佩雷大學(xué)Teemu Ihalainen

在許多情況下，細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)中非�；钴S，就像發(fā)電機(jī)一樣。細(xì)胞產(chǎn)生物理力的能力是身體的基本功能之一。例如，當(dāng)跑步時(shí)，細(xì)胞中產(chǎn)生的力量使肌肉收縮，呼吸工作。過去開發(fā)的力傳感器甚至可以測量單個(gè)蛋白質(zhì)所承受的力，但以前細(xì)胞內(nèi)的力和機(jī)械應(yīng)變是無法測量的。

坦佩雷大學(xué)的細(xì)胞生物學(xué)研究人員與俄亥俄州立大學(xué)的科學(xué)家一起開發(fā)了一種力傳感器，可以附著在機(jī)械反應(yīng)蛋白質(zhì)的側(cè)面，使其能夠感知細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)上的力和張力。

微型傳感器的開發(fā)始于2019年12月的一次會(huì)議旅行。

“功率傳感部分就像橡皮筋，拉伸時(shí)可以改變顏色。該部分附著在橡皮筋兩端的抗體上，與所研究的細(xì)胞靶蛋白結(jié)合。坦佩雷大學(xué)生物科技研究員Teemu Ihalainen說:“然后，通過跟蹤橡皮筋的伸長，可以在顯微鏡下檢測所研究蛋白質(zhì)的力或伸長。”

根據(jù)Ihalainen的說法，這種只有20納米大小的力傳感器可以很容易地推廣到廣泛的細(xì)胞生物學(xué)研究和各種靶蛋白。在蛋白質(zhì)生物傳感器的幫助下，可以測量核膜中的力，不同蛋白質(zhì)之間的力，或者通常在細(xì)胞的細(xì)胞骨架中。它允許細(xì)胞的機(jī)制第一次轉(zhuǎn)化為可見的形式。

日本、印度、挪威和美國的許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)對這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生了較大的興趣。

細(xì)胞的內(nèi)力提供了癌癥機(jī)制的信息

無論是在正常的身體機(jī)能中還是在疾病中，細(xì)胞總是受到外力的影響。

例如，當(dāng)癌細(xì)胞生長和移動(dòng)時(shí)，細(xì)胞受到機(jī)械力的作用。當(dāng)癌細(xì)胞擴(kuò)散時(shí)，例如，當(dāng)它進(jìn)入血液或淋巴管時(shí)，癌細(xì)胞需要通過其微環(huán)境中的狹窄間隙。因此，癌細(xì)胞受到強(qiáng)大的壓縮和拉伸力，可以分解一些細(xì)胞。細(xì)胞核的損傷會(huì)改變其基因組結(jié)構(gòu)，在某些情況下，這甚至可能有利于癌癥的發(fā)展。

“在傳感器的幫助下，癌癥的機(jī)制和相關(guān)過程可以從一個(gè)全新的角度進(jìn)行監(jiān)測，”Ihalainen提到。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

熒光標(biāo)記的細(xì)胞核，用共聚焦顯微鏡成像。圖像尺寸約為0.03 mm × 0.02 mm。圖片來源:Teemu Ihalainen

即使是小的細(xì)節(jié)也可以用超分辨率顯微鏡看到

近期的另一項(xiàng)研究通過結(jié)合細(xì)胞生物學(xué)和信號處理專業(yè)知識來改進(jìn)擴(kuò)增顯微鏡。除了細(xì)胞生物學(xué)研究人員外，坦佩雷大學(xué)工程與自然科學(xué)學(xué)院的成像專家以及Jyväskylä大學(xué)的病毒學(xué)家也參與了這項(xiàng)研究。

光學(xué)顯微鏡的分辨率是有限的，因?yàn)闃悠分械男〗Y(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)是模糊的，由于透鏡-光相互作用。然而，不同的超分辨率顯微鏡技術(shù)允許分離非常小的細(xì)節(jié)。其中一種技術(shù)是所謂的擴(kuò)展顯微鏡，其原理是物理放大物體，例如細(xì)胞，從而觀察其內(nèi)部的微小物體。在實(shí)踐中，將樣品澆鑄在軟凝膠中，軟凝膠可以膨脹四倍或更多，并且還可以放大樣品的所有細(xì)節(jié)。

“然而，問題是，細(xì)胞的細(xì)節(jié)越小，可見的分子就越少。這意味著從樣本中獲得的信號較少，即信息較少，而且通常會(huì)有很多噪音，有點(diǎn)像電視屏幕上的雪，”伊哈拉寧說。

研究小組發(fā)現(xiàn)，解決這個(gè)問題的方法可以是對細(xì)胞進(jìn)行重復(fù)熒光標(biāo)記。他們產(chǎn)生了多次標(biāo)記目標(biāo)蛋白質(zhì)的想法，使它們看起來更亮，提供更多的信息。

“在實(shí)踐中，我們所做的是將更多的熒光分子泵入目標(biāo)蛋白質(zhì)，就像我們添加反射器一樣。該方法簡便易行，大大提高了圖像的分辨率和對比度。噪聲也被從圖像中計(jì)算去除，這進(jìn)一步提高了圖像的清晰度，”他提到。

與許多超分辨率顯微鏡技術(shù)不同，膨脹顯微鏡不需要昂貴的儀器，而且易于實(shí)施。研究人員開發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)對于研究非常小的細(xì)節(jié)特別有用。例如，現(xiàn)在甚至可以用光學(xué)顯微鏡觀察120納米皰疹病毒的結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡下，病毒只能以單個(gè)點(diǎn)的形式可見。

該研究“迭代免疫染色結(jié)合擴(kuò)增顯微鏡和圖像處理揭示核層的納米級網(wǎng)絡(luò)組織”發(fā)表在《細(xì)胞分子生物學(xué)》雜志上。