水凝膠微球，登上Nature Protocols！

超分辨細胞力測量

細胞通過持續(xù)施加機械 力完成黏附、遷移、吞噬、免疫突觸形成等關(guān)鍵生命過程，但如何在三維、亞細胞尺度上定量測量這些力的方向與分布一直是力學生物學的技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)牽引力顯微術(shù)（TFM）多基于二維平面凝膠或微柱陣列，無法模擬生理中“球形可吞噬靶”或“細胞-細胞”真實幾何；而現(xiàn)有可分散水凝膠微顆粒雖能進入細胞-細胞界面，卻受限于產(chǎn)量低、粒徑/硬度不可調(diào)、缺乏高分辨率三維力解析工具。

瓦格寧根大學Daan Vorselen助理教授團隊提出了一套完整、可普及的“可調(diào)水凝膠微顆粒細胞力測量”技術(shù)體系（DAAM-particle MP-TFM），用于在三維、亞細胞尺度上定量解析細胞施加的法向與剪切力，突破傳統(tǒng)二維牽引力顯微術(shù)（TFM）在幾何與力學維度上的局限。相關(guān)內(nèi)容以“Using tunable hydrogel microparticles to measure cellular forces”為題發(fā)表在《

Nature Protocols

【主要內(nèi)容】

一、材料設(shè)計：一次膜乳化批量制備“可調(diào)球形力傳感器”

膜乳化工藝：采用Shirasu多孔玻璃（SPG）膜，將丙烯酰胺/雙丙烯酰胺/丙烯酸水相擠壓至含Span 80的有機相，形成單分散乳液；油溶性引發(fā)劑AIBN在62 °C同步引發(fā)聚合，得到產(chǎn)率高達1012、CV≤0.1的球形微凝膠。

剛度可調(diào)：通過改變交聯(lián)劑比例（0.32–2.3 % w/w），在保持~9 μm直徑下獲得0.3–6.5 kPa的Young’s模量，覆蓋生理細胞剛度范圍。

表面可功能化：共聚的丙烯酸提供羧基，利用EDC/NHS一步法偶聯(lián)蛋白、熒光染料及抗體，實現(xiàn)“生物活性+可視化”雙標記。

圖1 工作流程概述

二、方法創(chuàng)新：無參照、超分辨“微顆粒牽引力顯微術(shù)”（MP-TFM）

1. 3D超分辨形貌重建

共聚焦z-stack（步長≤0.15 μm）→ 以高斯誤差函數(shù)擬合顆粒邊緣→ 三角化表面→ 獲得<50 nm（z）與~20 nm（xy）的坐標精度；同步標記F-actin與暴露表面，自動定義“細胞接觸區(qū)”與“應(yīng)力自由區(qū)”。

2.彈性理論反演力場

以“理想球+試位移場”迭代逼近實測形狀，采用球諧函數(shù)求解線性彈性方程，最小化應(yīng)力自由區(qū)合力與總彈性能，收斂后輸出法向+剪切牽引力分布圖；全程提供MATLAB+Python開源腳本，無需編程基礎(chǔ)即可完成分析。

圖2 圖像分析步驟及彈性理論計算概述

三、實驗驗證：吞噬過程中“力-形貌-肌動蛋白”實時耦合

模型體系：IgG-opsonized 1.3 kPa DAAM-particles與J774A.1/RAW264.7巨噬細胞共孵育5–30 min，固定后共標F-actin與暴露表面。

結(jié)果示例：

顆粒表面出現(xiàn)與肌動蛋白環(huán)共定位的“收縮溝”與“齒狀凹陷”。

力圖中可見杯底質(zhì)心附近法向應(yīng)力峰值達~320 Pa，剪切應(yīng)力~60 Pa，且二者隨吞噬百分比線性增加。

剛度對照：0.3 kPa顆粒變形大但吞噬率低；6.5 kPa顆粒吞噬率高但變形小；1.3 kPa兼顧“可測變形+高效吞噬”，成為推薦工作剛度。

圖3 DAAM粒子合成的設(shè)置概述

圖4 協(xié)議的預(yù)期結(jié)果

四、通用化應(yīng)用：從吞噬到免疫突觸的“力-信號”解析平臺

功能模塊化：同一顆粒可替換抗體、補體、磷脂酰絲氨酸、pMHC等配體，已驗證適用于巨噬細胞、樹突狀細胞、T細胞、人外周血單核細胞及單細胞生物等系統(tǒng)。

活體兼容：顆粒可微注射至斑馬魚胚胎，在體測量細胞尺度應(yīng)力；亦能與膠原等ECM蛋白共價偶聯(lián)，用于3D組織力學研究。

動態(tài)擴展：對于~2 min的快速吞噬，采用晶格光片實現(xiàn)活細胞MP-TFM；對于較慢的免疫突觸形成，旋轉(zhuǎn)盤共聚焦即可滿足需求。

圖5 DAAM粒子的泛函化策略與應(yīng)用

【全文總結(jié)】

該研究建立了一條“批量制備可調(diào)微球→超分辨3D形貌→彈性理論反演力場→揭示亞細胞力學機制”的標準化流程，為免疫、發(fā)育、腫瘤等多領(lǐng)域的“力-信號”研究提供了通用、精準且低門檻的新工具。

https://doi.org/10.1038/s41596-025-01281-2

來源：BioMed科技