研究人員研制出可實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)力成像的壓電光電子學(xué)納米“天線”陣列

細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)、遷移、收縮、舒張和拉伸的過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞牽引力（cell traction force， CTF）。這些力極其微小，但是它們卻有著深刻的生物學(xué)影響，與生化信號(hào)一起協(xié)同有序地調(diào)控生命過(guò)程，在細(xì)胞增殖、分化、凋亡、腫瘤發(fā)生轉(zhuǎn)移、傷口愈合以及胚胎發(fā)育中發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，了解細(xì)胞牽引力是如何影響細(xì)胞功能，不同狀態(tài)下的細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生多大的細(xì)胞牽引力，都對(duì)細(xì)胞生物學(xué)的研究十分重要。

近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所、北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和廣西大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)共同研制出可實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)力成像的壓電光電子學(xué)納米“天線”陣列（Piezo-phototronic Light Nano-Antenna， PLNA），相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期（2021年5月26日）國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Science Advances上。鄭強(qiáng)博士、彭銘曾博士和劉卓博士為共同第一作者，李舟研究員，翟俊宜研究員和王中林院士為共同通訊作者。

該研究團(tuán)隊(duì)一直聚焦細(xì)胞牽引力的精確測(cè)量方法和器件研究。早在2009年，李舟和王中林就提出基于硅納米線陣列測(cè)量細(xì)胞牽引力的方法，研究了正常細(xì)胞、良性和惡性腫瘤細(xì)胞的最大細(xì)胞牽引力的差異（Nano Letter， 2009， 9， 10:3575-3580）（圖1）。通過(guò)利用掃描電子顯微鏡（SEM）獲取硅納米線陣列上由細(xì)胞引起的彎曲情況，結(jié)合納米線的物理性能參數(shù)和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能夠準(zhǔn)確獲得施加在納米線上的細(xì)胞牽引力的大小。該工作是無(wú)機(jī)納米線陣列在細(xì)胞牽引力研究中的新嘗試，結(jié)合正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞牽引力分析，對(duì)研究疾病的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程提供了新的研究方法和技術(shù)手段。

圖1 硅納米線陣列量化細(xì)胞牽引力

2018年，基于細(xì)胞外基質(zhì)（Extracellular matrix， ECM）對(duì)細(xì)胞牽引力的重要的影響，該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化硅納米線陣列的參數(shù)與性能，探究細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)細(xì)胞牽引力的調(diào)控機(jī)理，并以MC-3T3成骨細(xì)胞為載體，系統(tǒng)研究了在亞微米空間分辨下細(xì)胞外基質(zhì)調(diào)控成骨細(xì)胞牽引力的動(dòng)態(tài)時(shí)序過(guò)程（Nano Energy， 2018， 50： 504-512）（圖2）。該研究為理解細(xì)胞牽引力的動(dòng)態(tài)時(shí)序變化過(guò)程以及ECM修飾的組織工程支架的構(gòu)建提供了重要理論支撐。

圖2 細(xì)胞外基質(zhì)對(duì)細(xì)胞牽引力的調(diào)控機(jī)理探究

在上述兩個(gè)研究工作中，硅納米線陣列在量化細(xì)胞牽引力及其調(diào)控機(jī)理方面取得了較好的進(jìn)展，但是由于硅材料不透光，只能將細(xì)胞固定脫水后觀察，這樣就難以通過(guò)光學(xué)顯微鏡實(shí)時(shí)高分辨的觀察細(xì)胞的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。因此，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速、高分辨的活細(xì)胞牽引力測(cè)量成為下一步的研究目標(biāo)。那么如何逐步實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)呢？從2010年起，李舟和王中林就萌生了直接觀察細(xì)胞爬行力的分布圖的想法。

壓電光電子學(xué)效應(yīng)的提出為這項(xiàng)研究的推進(jìn)提供了新思路和新方法。這一效應(yīng)是由2010年王中林院士提出，其利用在壓電半導(dǎo)體材料中施加應(yīng)變所產(chǎn)生的壓電電勢(shì)來(lái)控制載流子在金屬-半導(dǎo)體接觸或者PN結(jié)處的產(chǎn)生、傳輸、分離或者復(fù)合，從而調(diào)控光電器件的光學(xué)性能。

2015年，該研究團(tuán)隊(duì)基于壓電光電子學(xué)效應(yīng)，首先構(gòu)建了InGaN/GaN多量子阱的納米線陣列（直徑0.8 μm，高度1.2 μm，間距4 μm，分辨率為6350 dpi）。這種材料的使用首先解決了傳統(tǒng)硅基材料不透光的問(wèn)題，并且InGaN/GaN多量子阱的納米線陣列在405 nm波長(zhǎng)的激光激發(fā)下能夠發(fā)光，發(fā)射波長(zhǎng)為460nm。在壓力/應(yīng)變下產(chǎn)生的壓電電荷成功調(diào)制了InGaN/GaN多量子阱的光致發(fā)光（Photoluminescence， PL）強(qiáng)度（圖3）（ACS nano， 2015， 9， 3： 3143-3150）。

圖3 壓電光電子學(xué)理論導(dǎo)圖以及壓力/應(yīng)變誘導(dǎo)產(chǎn)生壓電電荷成功調(diào)制InGaN/GaN多量子阱的光致發(fā)光（Photoluminescence， PL）強(qiáng)度裝置示意圖

從硅納米線到壓電光電子學(xué)InGaN/GaN多量子阱納米線，在材料本身獲得改進(jìn)的基礎(chǔ)上，面向細(xì)胞牽引力的測(cè)量，其性能的提升至關(guān)重要。在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)細(xì)胞牽引力的大小，結(jié)合材料的楊氏模量等數(shù)據(jù)，優(yōu)化并改良工藝參數(shù)，以透光的藍(lán)寶石為襯底，進(jìn)一步減小InGaN/GaN多量子阱的納米線的直徑，提高長(zhǎng)徑比，優(yōu)化納米線陣列的單位密度，使之更加適配細(xì)胞牽引力的作用。最終制備的InGaN/GaN多量子阱的納米線直徑、高度和陣列間距分別為150 nm，1500 nm和800 nm（圖4），空間分辨率達(dá)到31750 dpi，相較之前的器件，分辨率和性能都有大幅提升。

圖4 InGaN/GaN多量子阱的納米線形貌

為了探究該納米線陣列是否可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的實(shí)現(xiàn)力成像，研究人員使用可自主收縮的心肌細(xì)胞為細(xì)胞牽引力的研究對(duì)象，通過(guò)心肌細(xì)胞的收縮和舒張運(yùn)動(dòng)，將細(xì)胞牽引力施加到細(xì)胞下部的壓電光電子學(xué)納米“天線”陣列上，其產(chǎn)生的正負(fù)壓電電荷調(diào)制量子阱光致發(fā)光強(qiáng)度。通過(guò)激光共聚焦顯微鏡（confocal microscopy）對(duì)自主收縮的心肌細(xì)胞及其下部發(fā)光的納米“天線”陣列進(jìn)行動(dòng)態(tài)成像，時(shí)間分辨率約333 ms，并建立細(xì)胞牽引力與光致發(fā)光強(qiáng)度變化的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖5），對(duì)細(xì)胞牽引力的測(cè)量范圍可達(dá)0.17 μN(yùn)-10 μN(yùn)，檢測(cè)靈敏度為15 nN/nm，同時(shí)具有良好的光學(xué)穩(wěn)定性（抗光漂白）和重復(fù)性。

圖5 通過(guò)InGaN/GaN多量子阱的納米線構(gòu)建細(xì)胞力與光致發(fā)光強(qiáng)度變化關(guān)系以及強(qiáng)度時(shí)閾變化圖

該研究是首次基于壓電光電子學(xué)效應(yīng)提出一種超高空間分辨率實(shí)時(shí)測(cè)量細(xì)胞力分布的方法，是壓電光電子學(xué)效應(yīng)的又一獨(dú)特的應(yīng)用，并進(jìn)一步證明了納米線陣列在亞微米尺度上測(cè)量細(xì)胞牽引力的優(yōu)異特性。該研究歷時(shí)11年：從最初的固定脫水靜態(tài)細(xì)胞分析到如今的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)活細(xì)胞分析；從硅基不透光材料到透明藍(lán)寶石基底InGaN/GaN材料，簡(jiǎn)化了觀測(cè)方法從掃描電子顯微鏡觀察到激光共聚焦光學(xué)顯微鏡觀察；從細(xì)胞周圍納米線的局部量化到細(xì)胞胞體覆蓋的全域量化；從納米線位移來(lái)測(cè)量細(xì)胞牽引力到壓電光電子學(xué)InGaN/GaN多量子阱納米線光強(qiáng)變化實(shí)時(shí)反饋細(xì)胞牽引力。該團(tuán)隊(duì)厚積薄發(fā)，“十年磨一劍”，逐步實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、快速、動(dòng)態(tài)、高分辨的細(xì)胞牽引力成像這一目標(biāo)。它不但是生物工程探索中的一個(gè)重大進(jìn)展，也是壓電光電子學(xué)效應(yīng)在醫(yī)學(xué)中的一個(gè)嶄新應(yīng)用。與此同時(shí)，心肌細(xì)胞牽引力的動(dòng)態(tài)精確測(cè)量，為心血管疾病相關(guān)的臨床研究提供新的研究方法和平臺(tái)，將深化對(duì)心肌細(xì)胞的生物力學(xué)特性以及心肌細(xì)胞之間、心肌細(xì)胞與胞外基質(zhì)相互作用的理解，對(duì)疾病檢測(cè)、藥物篩選、組織工程和再生醫(yī)學(xué)研究產(chǎn)生重要價(jià)值。

該工作得到北京航空航天大學(xué)樊瑜波教授、李淑宇教授、歐陽(yáng)涵博士，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所韓榮成副研究員，北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員、胡衛(wèi)國(guó)研究員的大力合作與幫助。研究工作得到科技部納米專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金，中央高?；A(chǔ)研究基金、國(guó)家青年人才項(xiàng)目和中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

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