細(xì)胞力產(chǎn)生和力傳遞測量分析系統(tǒng)

3D凝膠包埋細(xì)胞牽引力顯微鏡

1,、背景和解決方案：

在生理和病理條件下，細(xì)胞本身產(chǎn)生的或細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 通過粘著斑 (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：

對于許多生物過程至關(guān)重要,，量化通過基于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驗?？捎糜趩蝹€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,，對于深刻理解許多生物過程至關(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)力的逆問題。除了應(yīng)力和力生成的標(biāo)準(zhǔn)測量之外,，

還可以進(jìn)行包括線性張力測量（一種專門用于細(xì)胞邊界的力傳遞測量）,，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,，

并計算描述力、應(yīng)力及其分布的各種參數(shù),，允許非用戶對此類實驗進(jìn)行全面評估,，可讓您快速分析可視化大型數(shù)據(jù)集。

可選配時差顯微鏡活細(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定與細(xì)胞接觸點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)胞收縮過程中對基底產(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；用熒光顯微鏡采集熒光微珠的運(yùn)動信息,，經(jīng)圖像處理后,，得到基底的應(yīng)變信息，然后通過一定的力學(xué)模型,，定量反演出細(xì)胞的牽引力,；細(xì)胞收縮或遷移過程中各個時刻的力分布就可以可視化在計算機(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,，通過細(xì)胞與彈性基底相互作用引起的基底變形來測定或計算細(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,、典型測試應(yīng)用：

有許多不同的方法可以測量力的產(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點（稱為力中心）的投影之和,。因此，如果力都已經(jīng)指向一個中心點,，則收縮性很高,。局部相反的力和不指向力震中的力對收縮性沒有貢獻(xiàn)。能夠以力似乎源自單個點的方式協(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,，同時消耗相對少量的應(yīng)變能,。

這在圖13中進(jìn)一步說明,。案例 A 代表具有兩個具有高度協(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