時間共享光鑷微流變技術揭示細胞器至生物體隨年齡變化的粘彈性

定量檢測生物微環境（如細胞內部）和復雜流體（如生物分子凝聚體）的力學響應有助于深入理解細胞分化與衰老機制，并加速藥物研發進程。

西班牙光子科學研究所的神經光子學與機械系統生物學研究組使用impetux 免校準生物型光鑷-SENSOCELL的時間共享光鑷微流變技術（TimSOM），測定了生物材料隨頻率和時間變化的黏彈性特征，在秀麗隱桿線蟲模型中，發現人類早衰癥相關核膜蛋白的突變，會導致腸道細胞胞質隨生物體衰老發生軟化。文章發表于Nature Nanotechnology。

免校準生物型光鑷-SENSOCELL

 
impetux 免校準生物型光鑷-SENSOCELL的TimSOM技術通過將單束激光拆分為兩個光阱，實現作用力與位移的同步測量，能夠在橫跨五個數量級的頻率范圍內，定量表征mPa至kPa量級的材料力學特性。該技術適用性廣泛，可用于測量生物分子凝聚體的液-固相變，以及細胞胞內區室的復雜黏彈性等研究，實現對細胞內部及蛋白質混合物材料特性的快速表型分析，可廣泛應用于生物醫學領域及藥物篩選。

人體內眾多分子間的相互作用，會引發針對自身產生的力與外部力的復雜頻率響應。這種粘彈性力學機制對多種生理和病理過程至關重要。最新研究表明，細胞及其組分對機械力響應方式的改變與癌癥和神經退行性疾病存在關聯。許多發生相分離的液態凝聚體其力學特性會隨年齡增長產生變化，從液態向凝膠態或玻璃態的轉變已被證實與多種神經退行性疾病密切相關。

目前已有的可用于表征細胞的流變特性的技術，無法在對活體系統內部施加作用力的同時測量這些力對細胞力學特性及機械信號轉導的影響�；�于光鑷的主動微流變技術是探測生物內復雜流體力學特性的方法，可應用于活細胞細胞質、癌性球狀體、活體動物及生物分子凝聚體（BMC）等研究場景。該方法通過觀測懸浮于流體中的微粒在振蕩光阱作用下的運動來實現力學特性表征。研究人員使用impetux Sensocell光鑷的時間共享光鑷微流變技術（TimSOM），（圖1）通過單束時間共享激光生成兩個光阱，一個用于進行主動振蕩，另一個用于檢測位移，系統研究了生物分子凝聚體（BMC）、細胞及模式生物的流變特性，探究了材料性質與形態發生、衰老及疾病之間的內在關聯。

圖1   采用直接光動量傳感技術的TimSOM示意圖

 
研究人員首先需要確認TimSOM方法是否能夠精準反映粘彈性材料的力學性質，于是使用TimSOM對三種已知流變特性的材料進行了測試：水（圖2a）及不同甘油混合物（圖2b）的粘度值，與經典拖曳力測量結果（圖2b）和已發表文獻數據一致；采用蠕變柔量測量法（圖2c(i)）與TimSOM技術（圖2c(ii)）對同種聚丙烯酰胺（PAA）凝膠凝膠進行對比時，發現二者測得的頻率依賴性剪切模量數值高度吻合，且部分與Kelvin–Voigt模型高度契合（圖2c）；對新鮮制備且未固化的10:0.1聚二甲基硅氧烷（PDMS）預聚物/固化劑混合物中嵌入微球進行TimSOM測試（圖2d），結果顯示最符合分數階麥克斯韋粘彈性凝膠模型。通過以上結果可以確認TimSOM方法能夠精準測定粘彈性材料的力學特性。

圖2   TimSOM能夠精準測定已知粘彈性材料的力學特性

 
生物分子凝聚體（BMC）在細胞質組織結構中起著關鍵作用，其物質狀態的改變直接影響健康與疾病進程。多種BMC的粘度會隨老化發生顯著變化。研究人員以MEC-2為研究對象，使用雙光阱（圖3a-d）與單光阱（圖3e-h）兩種方法測試，發現兩種構型呈現相似的頻率響應特性，且在液滴形成24小時后，交叉頻率顯著向低頻方向移動（圖3d, h）。這一現象表明，BMC的流變特性隨老化發生系統性轉變，其弛豫時間明顯延長。

圖3   BMC的粘彈性

 
為檢測年齡如何影響細胞與組織的力學特性，研究人員應用TimSOM技術檢測了秀麗隱桿線蟲細胞的流變特性。為避免外源性的微球影響動物生理狀態，研究人員開發了利用內源性脂滴作為機械應力探針的方法。通過驗證以下關鍵特性：折射率（n）n=1.42高于周圍細胞質（圖4b）；直徑約1 μm以實現最佳捕獲剛度（圖4c）；（3）具備足夠剛度以實現對目標物的有效壓痕（圖4d），確定內源性脂滴完全適合作為流變學探針使用。

研究人員分別在年輕（第1天）與年老（第8天）成蟲的腸上皮細胞質中實施TimSOM測量。線蟲細胞質剛度約為斑馬魚細胞質的十倍，阻礙了在胞內移動脂滴以使用同一探針檢測多個區室。年老個體中這種類固體特征顯著減弱，表明細胞質粘彈性在衰老過程中發生流體化轉變（圖4e）。在導致核膜病與早衰表型的突變株中進行的TimSOM測試中，發現年輕成蟲的lmn-1突變體細胞質粘度（圖4g）顯著下降至年老野生型水平，且在最高齡樣本中未進一步變化，表明lmn-1缺陷能夠導致細胞質流變學特性發生早衰性改變。

圖4   秀麗隱桿線蟲腸上皮組織的微流變性質

 
impetux Sensocell光鑷的主動微流變學技術，針對微量樣本進行了優化，能夠大幅降低材料消耗、儀器復雜度和測量時間，顯著提升實驗通量。相較于現有基于雙獨立驅動-探測激光系統或正交偏振分光技術的主動微流變學方案，具有以下優勢：采用單激光實現力與位置同步測量，避免了后端焦平面干涉測量系統中雙光路與雙探測器的對準難題，確保在整個光阱操作區域內保持恒定的校準狀態，從而實現穩定的微流變學檢測。

impetux Sensocell光鑷具有的應用潛力，從簡單粘性流體到粘彈性蛋白凝聚體的復雜響應，從活細胞內的多種細胞器到完整模式生物體內的力學特性，均可精準表征。

參考文獻：
[1]. Català-Castro,   F., Ortiz-Vásquez, S., Martínez-Fernández, C., Pezzano, F., Garcia-Cabau, C., Fernández-Campo, M., ... & Krieg, M. (2025). Measuring   age-dependent viscoelasticity of organelles, cells and organisms with   time-shared optical tweezer microrheology. Nature Nanotechnology, 20(3),   411-420.
 
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免校準生物型光鑷-SENSOCELL：http://www.053xs.cc/show1equip.asp?equipid=4839430