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图 基于水凝胶的分子荧光张力显微成像技术原理示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：32150016）等资助下，武汉大学刘郑教授团队在细胞力学可视化技术发展方面取得新进展。研究成果以“基于水凝胶的分子张力荧光显微镜用于研究受体介导的刚性感应（Hydrogel-based Molecular Tension Fluorescence Microscopy for Investigating Receptor-mediated Rigidity Sensing）”为题，于2023年10月5日在线发表在《自然•方法学》（Nature Methods）杂志上，论文链接：https://doi.org/10.1038/s41592-023-02037-0。
细胞在其周围环境中是高度动态的，它们收到不断地挤压、弯曲和拉扯，与环境中的其他组件发生紧密的机械交互。这些交互产生的机械力虽然微小，仅在pN级别，但由专门的受体和分子所感知并传递。更为关键的是，细胞依赖这些机械互动来形成“感知”并调整自身以适应外部环境（细胞外基质，ECM）的“软-硬”特性，此能力即为细胞的“刚度感知”。这种“刚度感知”能够深入地影响细胞生命的多个层面，包括调节干细胞的分化、细胞分裂、癌症的转移、T细胞的激活和血液的凝固等。目前细胞“刚度感知”背后的分子机制极为复杂，并没有得到很好的理解。为了在分子水平上深入理解这一过程，首先需要测量这些细微的机械力。但是，考虑到这种机械交互常常在极小的空间范围（从亚微米到分子）内进行，伴随着pN级别的机械力，使用常规的生物物理手段来探测细胞膜蛋白受体在“刚度感知”过程中所传递的pN级别机械力便显得尤为困难。
该团队结合了多学科交叉领域技术，如基于DNA纳米技术的自主设计的分子荧光张力探针、与人体组织刚度相似的软水凝胶界面的化学改性技术，以及先进的单分子荧光成像技术等。利用这些技术，他们研发了一套实验方法，能够同时成像细胞机械力的多个维度，例如细胞对细胞外基质（ECM）“软-硬”识别中的分子力图谱、分子力的动态频率、细胞的整体牵引力以及力的方向。
研究发现，成纤维细胞对于底物刚性的响应方式并不是简单地增加现有的整合素-配体键的数量，而是通过募集更多能承受力的整合素，并调整ECM中整合素的采样频率，从而更有效地促进局部粘附的成熟。此外，研究还揭示了ECM刚性能够正向调节T细胞受体与其配体间的pN级别的力量以及T细胞受体的机械采样频率，进而促进T细胞的激活。这一系列工作为细胞“刚性感知”中分子力的可视化提供了强有力的工具，使得在常规的共聚焦显微镜下，能够简洁而有效地揭示和探索与ECM刚度相关的细胞活动过程中的精细分子力信息。