研究人员开发新技术来测量细胞的旋转运动

力学在细胞生物学中发挥着重要作用。细胞驾驭这些机械力来探索它们的环境并感知周围活细胞的行为。细胞环境的物理特性反过来影响细胞功能。因此，了解细胞如何与其环境相互作用提供了对细胞生物学的重要见解，并在医学中具有更广泛的意义，包括疾病诊断和癌症治疗。

到目前为止，研究人员已经开发了许多工具来研究细胞与其3D微环境之间的相互作用。最流行的技术之一是牵引力显微镜(TFM)。它是确定细胞基质表面牵引力的主要方法，提供有关细胞如何感知、适应和响应力的重要信息。

然而，TFM的应用仅限于提供有关标记在细胞基质上的平移运动的信息。由于技术限制和对该主题的有限研究，有关其他自由度的信息(例如旋转运动)仍然是推测性的。

香港大学的工程专家提出了一种新技术来测量细胞牵引力场并解决研究空白。跨学科研究团队由电气与电子工程系褚志勤博士和机械工程系袁林博士领衔。他们使用纳米金刚石(NDs)中的单个氮空位(NV)中心提出了一种线性偏振调制(LPM)方法，该方法可以测量细胞基底上标记物的旋转和平移运动。

该研究为多维细胞牵引力场的测量提供了新的视角，结果已发表在《纳米快报》杂志上。

该研究显示了对细胞基底表面上标记的旋转和平移运动的高精度测量。这些实验结果证实了理论计算和先前的结果。

鉴于其超高的光稳定性、良好的生物相容性和方便的表面化学修饰，具有NV中心的荧光ND是许多生物应用的优秀荧光标记物。研究人员发现，基于荧光强度与单个NV中心的取向与激光偏振方向的关系的测量结果，可以实现高精度的取向测量和无背景成像。

因此，该团队发明的LPM方法有助于解决机械生物学中细胞力测量的技术瓶颈，其中包括生物学、工程学、化学和物理学的跨学科合作。

“多细胞生物中的大多数细胞都经历了在空间和时间上高度协调的力。多维细胞牵引力场显微镜的发展一直是该领域最大的挑战之一，”朱博士说。

“与传统的TFM相比，这项新技术为我们提供了一种新的便捷工具来研究真正的3D细胞-细胞外基质相互作用。它有助于在细胞牵引场中实现旋转-平移运动测量，并揭示有关细胞牵引的信息力量，”他补充说。

该研究的主要亮点是能够以高精度指示标记的平移和旋转运动。这是在细胞-基质界面分析机械相互作用的步。它还提供了新的研究途径。

通过细胞表面的特殊化学物质，细胞相互作用和连接，这是称为细胞粘附过程的一部分。细胞在粘附过程中产生张力的方式主要被描述为“平面内”。牵引应力、肌动蛋白流动和粘附生长等过程都是相互关联的，并显示出复杂的方向动力学。

LPM方法可以帮助理解围绕粘着斑的复杂扭矩，并在纳米级水平上分离不同的机械载荷(例如，法向牵引力、剪切力)。它还可能有助于了解细胞粘附如何响应不同类型的压力以及这些压力如何介导机械转导(细胞将机械刺激转化为电化学活性的机制)。

该技术还有望用于研究各种其他生物力学过程，包括免疫细胞激活、组织形成以及癌细胞的复制和侵袭。例如，在对癌症的免疫反应中起核心作用的T细胞受体可以产生对组织生长至关重要的极动态力。这种高精度的LPM技术可能有助于分析这些多维力动力学并深入了解组织发育。

该研究团队正在积极研究扩展光学成像能力并同时绘制多个纳米金刚石的方法。