活細胞的粘彈性力學(xué)性質(zhì)與人類疾病的進程息息相關(guān)，肌動蛋白細胞骨架（F-actin）是細胞骨架系統(tǒng)的重要組成部分，在控制細胞結(jié)構(gòu)、運動和傳感方面具有重要意義，尤其是細胞骨架的重新排列會導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)的顯著變化。因此，對于細胞骨架結(jié)構(gòu)形貌、粘彈性力學(xué)性質(zhì)的原位表征格外重要。然而，迄今為止，已有研究方法無論是光學(xué)手段還是牽引力顯微鏡、納米壓痕等力學(xué)手段都缺乏在液相環(huán)境下對活細胞的細胞骨架結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的原位表征。

為了這一實驗?zāi)康模猩酱髮W(xué)物理學(xué)院物理力學(xué)與生物物理研究中心團隊通過改進并發(fā)展了可在液相下原位測量活細胞的多頻率調(diào)制原子力顯微鏡技術(shù)（AM-FM AFM）。對原有的只能在大氣環(huán)境下工作的AM-FM設(shè)備進行改進，將懸臂完全浸沒在液相環(huán)境中。

利用細胞培養(yǎng)基的阻尼，代替原來不能在液體中使用的阻尼材料，消除偏離原子力顯微鏡標準共振的其他介質(zhì)的擾動， 懸臂振蕩的高效穩(wěn)定性能夠提高測量信噪比。此外，通過實驗修正液相下懸臂的二階頻率漂移，定量獲得細胞合理的力學(xué)性質(zhì)。在原位微環(huán)境下實現(xiàn)了細胞骨架結(jié)構(gòu)形貌、粘彈性的同時成像，分辨率達到50nm。

此外，對于癌細胞而言，腫瘤組織微環(huán)境不斷酸化，癌組織中細胞外的pH值（~6.5）低于正常組織的基本值（~7.4）。在癌癥等多種疾病的研究中發(fā)現(xiàn)，酸性微環(huán)境促進癌細胞的遷移進程從而引起侵襲，這一過程與偽足結(jié)構(gòu)（由F-actin構(gòu)成）的改變有關(guān)。

然而，在不同的pH微環(huán)境下，細胞骨架組織、粘彈性特性和細胞遷移之間的相關(guān)性仍然知之甚少。這篇文章通過改進的AM-FM AFM，觀察到正常環(huán)境下，癌細胞偽足中的細胞骨架呈短小、松散分布，相應(yīng)的彈性和粘性沿偽足延伸方向近乎水平。

而酸化環(huán)境下，癌細胞偽足中的F-actin聚合并編織成一個長而粗的束狀結(jié)構(gòu)，指向偽足前端的延伸方向，相應(yīng)的彈性和粘性沿著該方向均呈現(xiàn)明顯的梯度增加。粘性和彈性的增加有利于癌細胞偽足前端的粘附，使細胞在收縮過程中，前端牢牢地粘附基底，并有足夠的剛性提供向前的驅(qū)動力，利于細胞遷移過程。實驗結(jié)果說明酸性環(huán)境下通過改變細胞骨架的構(gòu)象，使偽足前端的彈性和粘性梯度增加，從而促進癌細胞的粘附和遷移的機制。

該研究結(jié)果對于理解細胞骨架F-actin和粘彈性在改變細胞形態(tài)和行為方面的意義具有重要指導(dǎo)作用，并為在pH微環(huán)境下癌細胞轉(zhuǎn)移開辟了一個新的納米力學(xué)機制模式。此外，該方法實現(xiàn)細胞骨架在液相下結(jié)構(gòu)和粘彈性力學(xué)性質(zhì)的同時表征，并達到50nm的分辨率，為推進不同微環(huán)境包括不同氧氣濃度、不同離子溶液等模擬不同種類細胞的生理環(huán)境研究邁出重要的一步，從微觀結(jié)構(gòu)探索細胞的自適應(yīng)過程，為理解細胞骨架調(diào)節(jié)細胞的功能命運提供方法依據(jù)。

該成果以“Effect of F-actin organization in lamellipodium on viscoelasticity and migration of Huh7 cells under pH microenvironment using AM-FM atomic force microscopy”為題發(fā)表在Frontiers in Physics期刊上（doi： 10.3389/fphy.2021.674958），中山大學(xué)物理學(xué)院研究生陳苗為第一作者，朱文鵬教授和張瀟悅副教授為共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、國家重大科研儀器研制項目以及廣東省自然科學(xué)基金的支持。

編輯：jq