細(xì)胞牽引力顯微鏡技術(shù)(traction force microscope, TFM)

細(xì)胞力學(xué)已從研究單個(gè)細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)逐漸發(fā)展到關(guān)注細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基底的相互作用。了解

細(xì)胞如何產(chǎn)生和感知力，以及這些力如何轉(zhuǎn)化為生化信號(hào)，對(duì)于解決關(guān)于正常和病理狀態(tài)下細(xì)胞行為的基本問(wèn)題至關(guān)重要。如何精確地測(cè)量細(xì)胞對(duì)外界施加的力同樣成為了生物力學(xué)研究中的關(guān)鍵問(wèn)題。

細(xì)胞與外基質(zhì)相互作用產(chǎn)生的主動(dòng)作用力叫牽引力，對(duì)其進(jìn)行表征可以使用TFM，該技術(shù)主要是由測(cè)量細(xì)胞外彈性基質(zhì)的變形得到應(yīng)變場(chǎng)，再通過(guò)反演算法重構(gòu)細(xì)胞所產(chǎn)生的牽引力。將為許多牽引力失衡所導(dǎo)致的疾?。ㄈ绨┌Y、組織纖維化、動(dòng)脈粥樣硬化等）的機(jī)理探究、診斷與治療提供重要的理論支撐和檢測(cè)、治療依據(jù)。

TFM基本原理是將細(xì)胞培養(yǎng)在彈性模量已知且預(yù)先有熒光示蹤粒子標(biāo)記的基底上，當(dāng)細(xì)胞收縮時(shí)會(huì)牽引基底產(chǎn)生變形，細(xì)胞所施加的這種機(jī)械力與基底的變形符合彈性力學(xué)基本假設(shè)，利用激光共聚焦顯微鏡記錄熒光示蹤顆粒的位移變化，即可得到基底的彈性變形程度，最終通過(guò)反演算法就能得到細(xì)胞施加的牽引力數(shù)據(jù)。該技術(shù)對(duì)于研究微環(huán)境對(duì)細(xì)胞的貼壁、遷移、生長(zhǎng)分化等生理學(xué)功能的影響有極大幫助。

由于熒光微珠分布隨機(jī)，常用的基底位移場(chǎng)的提取方法大致上可以分成兩類(lèi)，分別是基于模式識(shí)別技術(shù)的熒光粒子位移跟蹤方法和數(shù)字圖像處理相關(guān)方法。

具體方法是利用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)變形前后圖像中的熒光微珠的位置信息進(jìn)行匹配，或計(jì)算變形前后圖像兩個(gè)子區(qū)域的互相關(guān)系數(shù)，對(duì)兩張圖像中的熒光微珠進(jìn)行匹配，來(lái)獲得基底的位移場(chǎng)。對(duì)于圖形化彈性基底方法而言，由于基底表面的微凸臺(tái)陣列是呈周期性規(guī)律分布的，且凸臺(tái)的位移小于凸臺(tái)分布的空間周期，故無(wú)需復(fù)雜的圖像匹配算法，只需通過(guò)圖像處理計(jì)算基底受力前后兩張圖像中各凸臺(tái)的中心坐標(biāo)，將相同凸臺(tái)受力前后的中心坐標(biāo)做差，獲得各凸臺(tái)的位移矢量，即可完成基底位移場(chǎng)的提取。