細胞在運動、遷移、收縮、舒張和拉伸的過程中都會產生細胞牽引力（cell traction force， CTF）。這些力極其微小，但是它們卻有著深刻的生物學影響，與生化信號一起協同有序地調控生命過程，在細胞增殖、分化、凋亡、腫瘤發生轉移、傷口愈合以及胚胎發育中發揮關鍵作用。因此，了解細胞牽引力是如何影響細胞功能，不同狀態下的細胞會產生多大的細胞牽引力，都對細胞生物學的研究十分重要。

近日，中科院北京納米能源與系統研究所、北京航空航天大學生物醫學工程高精尖創新中心、中國科學院大學和廣西大學的研究團隊共同研制出可實現心肌細胞的實時動態力成像的壓電光電子學納米“天線”陣列（Piezo-phototronic Light Nano-Antenna， PLNA），相關研究成果發表在最新一期（2021年5月26日）國際學術期刊Science Advances上。鄭強博士、彭銘曾博士和劉卓博士為共同第一作者，李舟研究員，翟俊宜研究員和王中林院士為共同通訊作者。

該研究團隊一直聚焦細胞牽引力的精確測量方法和器件研究。早在2009年，李舟和王中林就提出基于硅納米線陣列測量細胞牽引力的方法，研究了正常細胞、良性和惡性腫瘤細胞的最大細胞牽引力的差異（Nano Letter， 2009， 9， 10:3575-3580）（圖1）。通過利用掃描電子顯微鏡（SEM）獲取硅納米線陣列上由細胞引起的彎曲情況，結合納米線的物理性能參數和位移數據進行統計分析，能夠準確獲得施加在納米線上的細胞牽引力的大小。該工作是無機納米線陣列在細胞牽引力研究中的新嘗試，結合正常細胞和腫瘤細胞的細胞牽引力分析，對研究疾病的發生和發展過程提供了新的研究方法和技術手段。

圖1 硅納米線陣列量化細胞牽引力

2018年，基于細胞外基質（Extracellular matrix， ECM）對細胞牽引力的重要的影響，該研究團隊通過優化硅納米線陣列的參數與性能，探究細胞外基質對細胞牽引力的調控機理，并以MC-3T3成骨細胞為載體，系統研究了在亞微米空間分辨下細胞外基質調控成骨細胞牽引力的動態時序過程（Nano Energy， 2018， 50： 504-512）（圖2）。該研究為理解細胞牽引力的動態時序變化過程以及ECM修飾的組織工程支架的構建提供了重要理論支撐。

圖2 細胞外基質對細胞牽引力的調控機理探究

在上述兩個研究工作中，硅納米線陣列在量化細胞牽引力及其調控機理方面取得了較好的進展，但是由于硅材料不透光，只能將細胞固定脫水后觀察，這樣就難以通過光學顯微鏡實時高分辨的觀察細胞的動態變化過程。因此，實時、動態、快速、高分辨的活細胞牽引力測量成為下一步的研究目標。那么如何逐步實現這一目標呢？從2010年起，李舟和王中林就萌生了直接觀察細胞爬行力的分布圖的想法。

壓電光電子學效應的提出為這項研究的推進提供了新思路和新方法。這一效應是由2010年王中林院士提出，其利用在壓電半導體材料中施加應變所產生的壓電電勢來控制載流子在金屬-半導體接觸或者PN結處的產生、傳輸、分離或者復合，從而調控光電器件的光學性能。

2015年，該研究團隊基于壓電光電子學效應，首先構建了InGaN/GaN多量子阱的納米線陣列（直徑0.8 μm，高度1.2 μm，間距4 μm，分辨率為6350 dpi）。這種材料的使用首先解決了傳統硅基材料不透光的問題，并且InGaN/GaN多量子阱的納米線陣列在405 nm波長的激光激發下能夠發光，發射波長為460nm。在壓力/應變下產生的壓電電荷成功調制了InGaN/GaN多量子阱的光致發光（Photoluminescence， PL）強度（圖3）（ACS nano， 2015， 9， 3： 3143-3150）。

圖3 壓電光電子學理論導圖以及壓力/應變誘導產生壓電電荷成功調制InGaN/GaN多量子阱的光致發光（Photoluminescence， PL）強度裝置示意圖

從硅納米線到壓電光電子學InGaN/GaN多量子阱納米線，在材料本身獲得改進的基礎上，面向細胞牽引力的測量，其性能的提升至關重要。在本研究中，研究團隊根據細胞牽引力的大小，結合材料的楊氏模量等數據，優化并改良工藝參數，以透光的藍寶石為襯底，進一步減小InGaN/GaN多量子阱的納米線的直徑，提高長徑比，優化納米線陣列的單位密度，使之更加適配細胞牽引力的作用。最終制備的InGaN/GaN多量子阱的納米線直徑、高度和陣列間距分別為150 nm，1500 nm和800 nm（圖4），空間分辨率達到31750 dpi，相較之前的器件，分辨率和性能都有大幅提升。

圖4 InGaN/GaN多量子阱的納米線形貌

為了探究該納米線陣列是否可以實時動態的實現力成像，研究人員使用可自主收縮的心肌細胞為細胞牽引力的研究對象，通過心肌細胞的收縮和舒張運動，將細胞牽引力施加到細胞下部的壓電光電子學納米“天線”陣列上，其產生的正負壓電電荷調制量子阱光致發光強度。通過激光共聚焦顯微鏡（confocal microscopy）對自主收縮的心肌細胞及其下部發光的納米“天線”陣列進行動態成像，時間分辨率約333 ms，并建立細胞牽引力與光致發光強度變化的實時對應關系（圖5），對細胞牽引力的測量范圍可達0.17 μN-10 μN，檢測靈敏度為15 nN/nm，同時具有良好的光學穩定性（抗光漂白）和重復性。

圖5 通過InGaN/GaN多量子阱的納米線構建細胞力與光致發光強度變化關系以及強度時閾變化圖

該研究是首次基于壓電光電子學效應提出一種超高空間分辨率實時測量細胞力分布的方法，是壓電光電子學效應的又一獨特的應用，并進一步證明了納米線陣列在亞微米尺度上測量細胞牽引力的優異特性。該研究歷時11年：從最初的固定脫水靜態細胞分析到如今的實時動態活細胞分析；從硅基不透光材料到透明藍寶石基底InGaN/GaN材料，簡化了觀測方法從掃描電子顯微鏡觀察到激光共聚焦光學顯微鏡觀察；從細胞周圍納米線的局部量化到細胞胞體覆蓋的全域量化；從納米線位移來測量細胞牽引力到壓電光電子學InGaN/GaN多量子阱納米線光強變化實時反饋細胞牽引力。該團隊厚積薄發，“十年磨一劍”，逐步實現了實時、快速、動態、高分辨的細胞牽引力成像這一目標。它不但是生物工程探索中的一個重大進展，也是壓電光電子學效應在醫學中的一個嶄新應用。與此同時，心肌細胞牽引力的動態精確測量，為心血管疾病相關的臨床研究提供新的研究方法和平臺，將深化對心肌細胞的生物力學特性以及心肌細胞之間、心肌細胞與胞外基質相互作用的理解，對疾病檢測、藥物篩選、組織工程和再生醫學研究產生重要價值。

該工作得到北京航空航天大學樊瑜波教授、李淑宇教授、歐陽涵博士，中國科學院遺傳與發育生物學研究所韓榮成副研究員，北京納米能源與系統研究所潘曹峰研究員、胡衛國研究員的大力合作與幫助。研究工作得到科技部納米專項、國家自然科學基金、北京市自然科學基金，中央高校基礎研究基金、國家青年人才項目和中國博士后科學基金等項目資助。

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