流体力显微镜实现对细胞膜张力的精确剖析

推荐一篇发表在Nat. Methods 上的文章，Dissecting cell membrane tension dynamics and its effect on Piezo1-mediated cellular mechanosensitivity using force-controlled nanopipettes。文章的通讯作者是来自苏黎世联邦理工学院的Ines Lüchtefeld和Tomaso Zambelli 教授，来自格拉斯哥大学的Massimo Vassalli 教授，以及来自提契诺大学的Igor V. Pivkin教授。

细胞机械力感知对维持细胞和组织的正常生理功能十分重要，机械力的主要感知通道蛋白Piezo1的发现在2021年获得了诺贝尔生理学与医学奖。由于细胞膜上的脂筏以及细胞骨架等的作用，使得细胞表面的机械力分布与传递并不是完全均匀的。因此，在微环境中对细胞机械力感知进行详细表征对理解和解释牵张力相关的生物学现象十分重要。

现有的机械力研究工具，例如膜片钳电生理学可以有效测量与机械敏感离子通道打开相关的离子电流。但是，其只能控制对细胞膜的吸力而忽略了电极与细胞膜接触处带来的压痕力，因此很难做到精细的牵张力测定。而原子力显微镜（AFM）等新型工具尽管在细胞间相互作用中取得了良好的表征效果，却不适合用于微尺度上的测量。

本文作者开发了一种流体力显微镜FluidFM，利用AFM机械悬臂和纳米吸管的共同作用，既可以用明确的力压入细胞膜，又可以在纳米吸管内吸入细胞膜，压力和吸入对膜张力的贡献可以解耦并独立调节。将该工具与钙离子成像染料和荧光显微镜结合可以有效监测Piezo1对压力的响应。

首先作者在细胞上对该工具的有效性进行了鉴定，作为所提出的刺激和读出方法的第一次测试，细胞受到25 nN压痕力和200 mbar吸入压力的联合刺激。细胞显示荧光信号的增加与整个细胞中钙浓度的上升有相关性。为了确认这种细胞范围内的钙升高与移液器-膜接触期间任何不必要的膜破裂不相关，将红色疏水染料SR101添加到FluidFM微通道内的溶液中。结果表明染料没有进入细胞，膜在机械刺激期间保持完整。

在模型细胞上取得了良好的效果之后，作者开始通过FluidFM量化机械刺激时膜张力变化的程度和传播。为此，研究者们将FluidFM系统与荧光寿命成像显微镜(FLIM)装置结合起来，利用最近开发的荧光膜张力探针Fliper-TR对膜张力的变化进行表征。Fliper-TR在高牵张力和低牵张力的条件下会有明显不同的荧光寿命，从而反应出膜张力的大小。结果表明，无论是压下还是抽吸都会线性地增加膜张力，但两种力带来的膜张力变化有着不同的拟合系数，可以基于此来比较其净贡献。有趣的是作者发现，细胞的膜张力并不会在整个细胞尺度上进行传递，在局部微尺度上施加压力或吸力不会导致整个细胞表面张力的增加，而是会被局限在一定区域内，作者认为由于细胞骨架等的限制，张力传递会在一定距离后被阻止。