機(jī)械信息通過(guò)細(xì)胞骨架、細(xì)胞器和質(zhì)膜進(jìn)行傳遞，對(duì)細(xì)胞的組織結(jié)構(gòu)與機(jī)械傳導(dǎo)過(guò)程至關(guān)重要，并深刻影響細(xì)胞形態(tài)、信號(hào)傳導(dǎo)及代謝活動(dòng)。先前研究報(bào)道，質(zhì)膜的膜庫(kù)（membrane reservoir）特性及脂質(zhì)雙分子層的流體特性會(huì)導(dǎo)致膜張力在超過(guò)松弛時(shí)間后趨于恒定，局部外力引發(fā)的張力增加會(huì)迅速傳遞至整個(gè)膜表面。但近年研究發(fā)現(xiàn)膜張力傳播存在顯著細(xì)胞類型特異性，組織培養(yǎng)細(xì)胞中傳播不明顯，而神經(jīng)元軸突中傳播距離可達(dá)數(shù)十微米。為破解這一科學(xué)謎題，巴塞羅那科學(xué)技術(shù)學(xué)院的西班牙光子科學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)借助西班牙Impetux的免校準(zhǔn)生物型光鑷-SENSOCELL展開(kāi)專項(xiàng)研究，該系統(tǒng)憑借免校準(zhǔn)即插即用、無(wú)需繁瑣標(biāo)定，飛牛級(jí)超高精度、多光阱同步操控、活細(xì)胞與組織原位測(cè)量及自動(dòng)化軟件支持的核心優(yōu)勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)提供了高效精準(zhǔn)的技術(shù)支撐，最終在秀麗隱桿線蟲(chóng)觸覺(jué)受體神經(jīng)元（TRNs）模型中取得突破性進(jìn)展。

免校準(zhǔn)生物型光鑷-SENSOCELL

研究團(tuán)隊(duì)基于SENSOCELL開(kāi)發(fā)了一種基于光鑷的膜納米流變學(xué)技術(shù)（membrane nanorheology），以秀麗隱桿線蟲(chóng)的觸覺(jué)受體神經(jīng)元（TRNs）作為軸突膜張力傳遞的生物物理模型，系統(tǒng)探究了軸突膜張力的傳播調(diào)控機(jī)制及細(xì)胞外力響應(yīng)適應(yīng)機(jī)制。

研究人員設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，利用單個(gè)分時(shí)激光源同時(shí)拉出兩個(gè)膜系鏈（membrane tethers）。首先將單個(gè)激光源以25 kHz的頻率進(jìn)行分束，產(chǎn)生兩個(gè)可以在二維獨(dú)立移動(dòng)的光阱（圖1a，紫色和綠色）。然后，主動(dòng)拉動(dòng)光阱1（紫色）中的膜系鏈，并測(cè)量由光阱2（綠色）保持的靜態(tài)膜系鏈的力學(xué)響應(yīng)（圖1b），可以明顯看到，隨著光阱1的主動(dòng)移動(dòng)，產(chǎn)生明顯的膜張力，并且傳遞到光阱2。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)觸覺(jué)受體神經(jīng)元（TRN）和DVA神經(jīng)元的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)膜張力在TRN中傳播得更遠(yuǎn)、更快，說(shuō)明表明膜張力傳播的范圍和速度具有細(xì)胞類型特異性。

圖1 用于測(cè)量膜張力傳播的雙光阱檢測(cè)法

研究人員基于已有的膜張力傳播模型開(kāi)展計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)果表明，張力傳播過(guò)程顯著依賴于膜的面內(nèi)彈性、粘度及膜的滲透系數(shù)k。模擬進(jìn)一步揭示，周期性排布的障礙物會(huì)降低膜的滲透率，從而限制張力沿軸突膜的傳播范圍（圖2）。

圖2 膜張力傳播的理論模型

先前的研究指出，與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架相連的跨膜蛋白會(huì)阻礙膜中脂質(zhì)的流動(dòng)?；谶@一認(rèn)識(shí)，研究團(tuán)隊(duì)將膜與其下方的細(xì)胞骨架視作一種復(fù)合材料，并假設(shè)細(xì)胞骨架的改變會(huì)影響膜的滲透性。不同的處理?xiàng)l件下的張力傳播和靜態(tài)張力結(jié)果表明，神經(jīng)元對(duì)肌動(dòng)蛋白破壞的反應(yīng)依賴于藥物種類和濃度，且與LatA（能夠隔離肌動(dòng)蛋白單體，干擾肌動(dòng)蛋白聚合）的急性處理相比，對(duì)CytoD（能夠解聚動(dòng)態(tài)肌動(dòng)蛋白絲）更為敏感（圖3a,b）。接著，研究組檢測(cè)了微管是否調(diào)節(jié)沿膜的張力傳播。與對(duì)照組相比，mec-12突變體（缺乏乙?；?5-pf微管）表現(xiàn)出張力傳播減少，并且Nocodazole諾考達(dá)唑處理導(dǎo)致了更多的減少（圖3e,f），表明微管支持軸突中的膜張力傳播。

圖3 F-肌動(dòng)蛋白和微管網(wǎng)絡(luò)的完整性影響張力傳播

研究團(tuán)隊(duì)采用計(jì)算機(jī)模擬方法對(duì)血影蛋白細(xì)胞骨架進(jìn)行建模，比較了隨機(jī)分布與周期性排列的障礙物所產(chǎn)生的影響（圖4b）。模擬結(jié)果表明，周期性的細(xì)胞骨架排列在短距離內(nèi)能夠增強(qiáng)張力傳播。與模型預(yù)測(cè)一致（圖4b），血影蛋白突變體在短距離內(nèi)的張力傳播程度低于野生型；而在unc-70缺失突變體的神經(jīng)突中，張力可傳播至顯著更遠(yuǎn)的距離（圖4c）。綜合實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果可知，周期性的膜障礙物及其相關(guān)細(xì)胞骨架成分能夠在局部限制并界定膜張力傳播的范圍。

圖4血影蛋白細(xì)胞骨架的周期性有助于短距離內(nèi)的張力傳播

最后，研究人員驗(yàn)證了膜上的障礙物是否確實(shí)會(huì)影響膜張力的傳播。Stomatin同源蛋白MEC-2會(huì)在質(zhì)膜上形成凝聚體，且能夠結(jié)合膽固醇，使膜變得更硬。在MEC-2基因敲除動(dòng)物中進(jìn)行的連接拉伸實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，靜息膜的基線張力低于對(duì)照組神經(jīng)突（圖5a），張力傳播顯著增加（圖5b）；使用甲基-β-環(huán)糊精（mbCD）處理細(xì)胞以去除膜膽固醇也能增加張力傳播（圖5d）。這些數(shù)據(jù)表明 MEC-2 凝聚體作為一種障礙物，通過(guò)與膜中的膽固醇相互作用來(lái)限制膜張力的傳播。

圖5 MEC-2在膜上的凝聚限制張力傳播

研究團(tuán)隊(duì)以秀麗隱桿線蟲(chóng)為模型，探究了機(jī)械應(yīng)力沿感覺(jué)神經(jīng)突膜傳播的分子機(jī)制。基于SENSOCELL光鑷系統(tǒng)的膜系鏈拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，膜張力的傳播行為與生物物理模型的預(yù)測(cè)相符：膜-皮層結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致膜通透性升高（障礙物密度降低），從而使張力傳播距離增加；周期性的障礙物排列支持短距離內(nèi)的張力傳播，而更均勻、隨機(jī)分布的障礙物則有利于張力進(jìn)行長(zhǎng)距離傳播。

在此項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)采用的免校準(zhǔn)生物光鑷系統(tǒng)SENSOCELL能夠在無(wú)需復(fù)雜校準(zhǔn)的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)捕獲微球的高精度空間操控與力學(xué)測(cè)量。SENSOCELL可控制微球沿預(yù)定軌跡逼近細(xì)胞表面或從膜上脫離，同時(shí)實(shí)時(shí)、高精度地同步記錄施加于微球的力與位移信息。通過(guò)對(duì)力?位移曲線的分析，可直接推演出細(xì)胞膜中的張力分布。此外，該系統(tǒng)支持多光阱并行操作，可在同一細(xì)胞表面同步操控多個(gè)微球、構(gòu)建多條膜連接，從而實(shí)現(xiàn)在空間上解析機(jī)械力沿細(xì)胞膜的傳播特性。

SENSOCELL 光鑷系統(tǒng)核心優(yōu)勢(shì)：

• 免校準(zhǔn)即插即用：無(wú)需繁瑣標(biāo)定流程，開(kāi)機(jī)即可開(kāi)展測(cè)力實(shí)驗(yàn)，新手也能快速上手，大幅降低科研準(zhǔn)入門(mén)檻；

• 飛牛級(jí)超高精度：力學(xué)分辨率高達(dá) 50fN，定位精度＜1nm，可精準(zhǔn)捕捉細(xì)胞微小力學(xué)變化，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供可靠保障；

• 多光阱同步操控：支持高達(dá) 256 個(gè)光阱同步操作，可自定義軌跡、振蕩、拖拽等動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)自由度非常高，滿足復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需求；

• 原位測(cè)量能力突出：不僅適用于細(xì)胞、細(xì)胞核、囊泡等內(nèi)源結(jié)構(gòu)，還能深入組織內(nèi)部開(kāi)展力學(xué)檢測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞與組織的原位測(cè)量；

• 自動(dòng)化軟件賦能：LightAce 軟件基于 ImageJ、μ-Manager 開(kāi)發(fā)，界面友好且支持自定義實(shí)驗(yàn)流程，可顯著提升科研效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]. Català-Castro,   F., Bonilla-Quintana, M., Sanfeliu-Cerdán, N., Rangamani, P., & Krieg, M.   (2025). Obstacles regulate membrane tension propagation to enable localized mechanotransduction. Nature Physics, 1-12.