細(xì)胞力產(chǎn)生和力傳遞測(cè)量分析系統(tǒng)

3D凝膠包埋細(xì)胞牽引力顯微鏡

1、背景和解決方案：

在生理和病理?xiàng)l件下，細(xì)胞本身產(chǎn)生的或細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 通過(guò)粘著斑 (FA) 和粘附連接 (AJ) 傳遞的機(jī)械力已知在調(diào)節(jié)各種細(xì)胞行為中發(fā)揮重要作用。

細(xì)胞胞力的產(chǎn)生和力的傳遞：

對(duì)于許多生物過(guò)程至關(guān)重要，量化通過(guò)基于E-鈣粘蛋白的粘附連接施加的細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞內(nèi)力，將在生物學(xué)研究領(lǐng)域闡明與機(jī)械力響應(yīng)相關(guān)的細(xì)胞功能方面發(fā)揮基礎(chǔ)性作用，

該系統(tǒng)為理解生物力學(xué)力在單個(gè)細(xì)胞、多細(xì)胞以及細(xì)胞-細(xì)胞/細(xì)胞-ECM 界面上的作用的提供了新方法，將為革新再生醫(yī)學(xué)、疾病建模和藥物發(fā)現(xiàn)的突破性技術(shù)打開大門，

闡明了細(xì)胞遷移、增殖、分化、重塑和機(jī)械感知其微環(huán)境的機(jī)制的許多方面。

2、該系統(tǒng)綜述：

該系統(tǒng)支持基于微柱陣列法、FLECS熒光彈性基底微圖案法、集成熒光微珠嵌入聚丙烯酰胺凝膠法、PDMS合規(guī)的薄硅膜法，集優(yōu)棄劣進(jìn)行力生成和應(yīng)力傳遞分析，可以2D細(xì) 胞，也可以3D細(xì)胞嵌入水凝膠中，并結(jié)合時(shí)間依賴性 (4D)的細(xì)胞內(nèi)源力產(chǎn)生與力傳遞量化分析實(shí)驗(yàn)。可用于單個(gè)細(xì)胞、多細(xì)胞之間、細(xì)胞集落和融合細(xì)胞層（cell sheet）中的力生成和應(yīng)力傳遞分析，為理解生物力在單個(gè)細(xì)胞、細(xì)胞集落、細(xì)胞-細(xì)胞/細(xì)胞-ECM界面上的作用提供了新方法，將為革新再生醫(yī)學(xué)、疾病建模和藥物發(fā)現(xiàn)的突破性技術(shù)打 開大門，闡明了細(xì)胞遷移、增殖、分化、重塑和機(jī)械感知其微環(huán)境的機(jī)制的許多方面，對(duì)于深刻理解許多生物過(guò)程至關(guān)重要。

該系統(tǒng)解決了從具有已知彈性的粘性基底測(cè)量的細(xì)胞力引起的變形重建細(xì)胞基質(zhì)牽引力和細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)應(yīng)力的逆問(wèn)題。除了應(yīng)力和力生成的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量之外，

還可以進(jìn)行包括線性張力測(cè)量（一種專門用于細(xì)胞邊界的力傳遞測(cè)量），允許用戶設(shè)置所必要的分析參數(shù)，選擇感興趣的區(qū)域，檢查輸入?yún)?shù)和中間結(jié)果，

并計(jì)算描述力、應(yīng)力及其分布的各種參數(shù)，允許非用戶對(duì)此類實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全面評(píng)估，可讓您快速分析可視化大型數(shù)據(jù)集。

可選配時(shí)差顯微鏡活細(xì)胞工作站，為顯微鏡提供類似培養(yǎng)箱的氣體溫度濕度控制；

可選的共聚焦超高分辨率TIRF顯微鏡

2.2、測(cè)試方法：

• 2.2.1、細(xì)胞微柱陣列：
  
  細(xì)胞主要黏附于與基底垂直微柱的上面，可以直接根據(jù)微柱的彎曲變形程度與方向測(cè)定與細(xì)胞接觸點(diǎn)牽引力的大小與方向。

  2.2.2、熒光微珠嵌入聚丙烯酰胺凝膠：
  
  通過(guò)培養(yǎng)在具已知彈性軟基底（聚丙烯酰胺(PA)膠），細(xì)胞收縮過(guò)程中對(duì)基底產(chǎn)生的牽引力使基底產(chǎn)生變形，這種變形反映到熒光微珠的運(yùn)動(dòng)；用熒光顯微鏡采集熒光微珠的運(yùn)動(dòng)信息，經(jīng)圖像處理后，得到基底的應(yīng)變信息，然后通過(guò)一定的力學(xué)模型，定量反演出細(xì)胞的牽引力；細(xì)胞收縮或遷移過(guò)程中各個(gè)時(shí)刻的力分布就可以可視化在計(jì)算機(jī)屏幕上

  2.2.3、熒光彈性可收縮表面微圖案化多孔板高通量細(xì)胞收縮力檢測(cè)多孔板-24、96、384孔板：
  
  
  

  2.2.4、合規(guī)PMDS基底多孔板：
  
  采用軟彈性基底，通過(guò)細(xì)胞與彈性基底相互作用引起的基底變形來(lái)測(cè)定或計(jì)算細(xì)胞牽引力

  可定制剛度0.1kPa 至 100 kPa 的楊氏彈性模量、蛋白質(zhì)涂層

• 2.3、適用樣品：

  2D單個(gè)細(xì)胞、3D凝膠包埋的細(xì)胞、細(xì)胞集落和融合細(xì)胞層中的力生成和應(yīng)力分析，細(xì)胞收縮力、細(xì)胞之間相互用力、細(xì)胞與ECM之間相互用力、跨細(xì)胞邊界作用力、平均法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力

• 2.4、典型測(cè)試應(yīng)用：

有許多不同的方法可以測(cè)量力的產(chǎn)生和應(yīng)力。在這里，您可以找到可以使用該程序計(jì)算的數(shù)量的概覽。

2.4.3、收縮力

收縮力定義為牽引力向一個(gè)點(diǎn)（稱為力中心）的投影之和。因此，如果力都已經(jīng)指向一個(gè)中心點(diǎn)，則收縮性很高。局部相反的力和不指向力震中的力對(duì)收縮性沒(méi)有貢獻(xiàn)。能夠以力似乎源自單個(gè)點(diǎn)的方式協(xié)調(diào)其力產(chǎn)生的細(xì)胞或細(xì)胞群可以獲得高收縮性，同時(shí)消耗相對(duì)少量的應(yīng)變能。

這在圖13中進(jìn)一步說(shuō)明。案例 A 代表具有兩個(gè)具有高度協(xié)調(diào)力生成的細(xì)胞的細(xì)胞集落，案例 B 代表具有協(xié)調(diào)性的細(xì)胞。在情況 B 中，每個(gè)細(xì)胞自行產(chǎn)生收縮力。因此，如果我們假設(shè)情況 A 和 B 中的應(yīng)變能相等，則情況 B 的收縮性較低。

綜上所述：應(yīng)變能是總力產(chǎn)生的量度，而收縮性是協(xié)調(diào)力產(chǎn)生的量度。

3D凝膠包埋細(xì)胞牽引力顯微鏡