案例分享 | MFP助力干细胞机械转导研究步入3D时代

机械转导（mechanotransdution）是细胞对机械信号作出电化学反应的过程，研究这一过程不仅对于理解细胞如何感知响应其所在的微环境至关重要，影响细胞的生长、分化和迁移，还与多种疾病的发生和发展密切相关。例如，在癌症研究中，机械转导机制的失调被认为是肿瘤细胞侵袭和转移的关键因素。此外，机械转导也在组织工程和再生医学中扮演着重要角色，通过模拟体内力学环境可以优化人工组织和器官的构建。

原子力显微镜（AFM）是一种能够以极高的分辨率测量物质表面形貌和力学特性的仪器，因其可以在不同气相液相环境下对材料进行多维度的表征而在生命科学领域大放异彩。在细胞生物学前沿研究中，AFM的应用已经极大地推动了我们对细胞机械性质的理解，特别是在干细胞三维机械转导研究中。

理想与现实：

过去，研究人员主要使用二维图形进行细胞生物学实验（cell biology） ，这种方法虽然简单易行，但却无法真实模拟细胞在体内的三维环境。因此，研究结果往往与实际生物体内的情况存在较大差距，难以反映细胞真实的响应。

为了解决这个问题，科学家们开始尝试使用三维模型来研究细胞的行为。其中，刚度梯度水凝胶就是一种有效的工具，它可以为干细胞提供一个接近真实的三维环境。由西澳大学（University of Western Australia）的研究团队使用明胶甲基丙烯酰(GelMA)水凝胶进行相应的机制研究。这种水凝胶可以通过控制紫外线固化强度改变硬度，从而构建出具有线性刚度梯度的样品（图1）。AFM模量测量（AFM modulus measurements ）验证了样品存在有生理意义的（5-38 kPa）的刚度梯度，这为研究干细胞在体内不同硬度环境下的行为提供了可能。

结果与分析：

研究人员将脂肪来源的干细胞包裹在水凝胶中，并使用AFM来建立细胞形态和对机械响应的关系。在这个过程中，AFM模量测量发挥了重要作用，通过AFM研究人员可以准确监控细胞体积，核体积与机械敏感蛋白之间的相关性。这对于理解细胞如何对机械信号作出反应，以及这种反应如何影响细胞的行为和功能具有重要意义。他们发现，在较硬的区域，细胞体积和核体积较小，下调了蛋白质表达和蛋白锚定，最终的机械转导也较少。相反，在更柔软的地区，细胞和核的体积较大，机械转导也较多。

AFM数据配合其他研究结果表明，在三维机械转导中细胞体积对微环境刚度的适应起着关键作用。研究人员指出需要继续深入探索三维转导的过程，加深对细胞在体内如何对机械信号作出反应的理解。未来，随着科技的发展，我们可以预见AFM在干细胞三维机械转导研究中的应用将会更加广泛。此外，还可以利用AFM的高分辨率成像能力，来观察细胞内部的结构和过程，从而更深入地理解细胞的工作机制。

总的来说，AFM在干细胞三维机械转导研究中发挥了重要作用。深入研究机械转导机制不仅有助于我们揭示基本生物过程，还可能为临床治疗提供新的策略和靶点。随着AFM等先进技术的应用，我们对细胞机械行为的洞察将更加深入，从而推动生命科学和医学的发展。

仪器使用与细节：

利用牛津仪器MFP-3D AFM的力曲线技术（force curve techniques）测量了水凝胶的刚度。为了模拟实际的细胞作用场景，将水凝胶浸入磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液中，并使用含有镀金层金字塔形针尖的悬臂梁进行测量。

MFP-3D家族以实惠的价格提供了超预期的性能，实现了同级较低噪音水平。通过Asylum的内置分析软件简化了数据拟合过程，可以轻松批量得到样品的杨氏模量。对于需要结合AFM和光学显微镜的生物科学实验，MFP-3D BIO 提供了同样高性能的集成平台。

相关应用领域：生物分子（AFM for Biomolecules），细胞和组织（Cell Biology and Tissue Engineering）

引用: L. Major, A. Holle, J. Young et al., Volume adaptation controls stem cell mechanotransduction. ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 45520 (2019). https://doi.org/10.1021/acsami.9b19770

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