行业背景
在生物学研究和临床诊断领域，了解细胞级别的力学行为对于揭示细胞如何与其微环境相互作用至关重要。这些行为在多种生物学过程中发挥作用，包括但不限于细胞迁移、组织形成、免疫反应以及癌症进展。
在三维生物组织中，如肿瘤球体或发育中的胚胎，一直难以捕捉细胞间的力量如何分布和变化。传统成像技术在这些应用中面临着信号吸收、散射和高背景噪声等问题，这些问题严重影响了测量的准确性和可行性。科学家们使用多种技术来探测和量化机械力，这些技术包括机械探针、光学镊子和磁力镊子。这些方法各有优势，例如光学镊子能精确操作单个分子，磁力镊子则可以施加并测量细胞表面受体与配体的相互作用力。在细胞生物力学的研究中，精确测量和定位细胞受力对于理解细胞如何响应其物理环境至关重要。然而，尽管科学家已经开发出多种测力技术，这些技术在应用中仍面临重大挑战，特别是在操作光学结构复杂的生物样本时。
1. 光学访问限制
绝大多数现有的力测量技术，如光学镊子和磁力镊子，都依赖于清晰的光学路径来操作和测量力。这种依赖限制了它们在光学不透明或吸光强烈的生物样本中的应用，如肿瘤组织和发育中的胚胎。在这些样本中，光的散射和吸收严重阻碍了精确测量的能力。
2. 高分辨率成像的依赖
传统的力测量方法通常需要直接成像来观察样品的物理变形或标记位移，这要求使用高分辨率和高对比度的成像系统。这不仅增加了实验的复杂度和成本，而且在实际应用中往往受限于成像技术的物理限制，如成像深度和分辨率等。
3. 细胞尺度的精确力测量难题
尽管可以通过上述技术测量到细胞级别的力，但这些技术很难实现单个细胞内部或细胞之间复杂互作力的精确定位和量化。此外，当前技术在测量动态生物过程中的力时，往往无法提供足够的时间分辨率来捕捉快速变化的生物力学事件。
4. 生物兼容性和微环境干扰
在进行体内力测量时，任何外加的传感器或工具都必须具有良好的生物兼容性，以避免对细胞或组织产生负面影响。此外，实验装置本身可能会影响到生物样本的自然状态，从而干扰实验结果。
为了应对传统生物力测量技术在操作光学密集和不透明生物样本时遇到的挑战，近日，英国圣安德鲁斯大学Malte C. Gather团队和德国科隆大学Marcel Schubert团队联合开发了一种名为DEFORM（Deformable Microlaser Force Sensing）的新技术。DEFORM利用染料掺杂的油性微滴作为微型激光器，这些微激光器可以在受到物理力作用时改变形态，从而通过光谱分析技术检测这种形变。这种方法突破了传统技术依赖直接成像的限制，可以在光学不透明的生物组织中进行非侵入式的精确力测量。该成果发表在《Light: Science & Applications》，题为Deformable microlaser force sensing。
此外，为了提高实验的可重复性和扩大应用范围，研究团队还开发了一种高通量微流控芯片，用以高效生产尺寸和形态统一的微激光器。这些微激光器在维持高生物兼容性的同时，也优化了其在生物体内的稳定性和安全性，使DEFORM技术不仅能用于实验室研究，还具备了临床应用的潜力。这些改进显著提升了生物力测量的准确性和应用的灵活性，为复杂生物系统中力的研究提供了新的思路。
研究亮点
1. 非侵入式力测量技术
DEFORM技术最大的创新之一是提供了一种非侵入式的力测量方法(如图1)。与传统依赖于物理接触或复杂光学设备的方法不同，DEFORM通过分析微激光器——即染料掺杂油滴——在受力时的光谱变化来测量力，这种方法避免了对生物样本的直接干预，减少了对样本可能的影响或损害。
图1 可变形微激光力传感器原理
2. 高时空分辨率
DEFORM技术能够在亚纳牛顿级别上测量力，具有极高的空间和时间分辨率(如图2)。这使得科学家可以观察到细胞内部及其与周围环境之间在极其微小尺度上的力交互作用，这在以往的技术中是难以实现的。
图2 DEFORM测量亚纳米牛顿力
3. 应用于光学密集组织
传统测力技术在光学密集或不透明的组织中应用受限，而DEFORM技术则能有效克服这一限制。它可以在如肿瘤组织或发育中的胚胎等光学不透明的生物样本中进行力的测量，为疾病诊断和生物医学研究提供了新的视角(如图3)。
图3 3D肿瘤球状体中的3D力感测
4. 生物兼容性与安全性
DEFORM微激光器使用的材料经过精心选择和测试，确保了高度的生物兼容性和安全性。这一点对于临床应用尤其重要，确保了技术可以安全地用于长期的生物医学研究和潜在的临床诊断。
5. 广泛的潜在应用
DEFORM技术的开发不仅推动了基础科学研究的深入，其潜在的应用范围也非常广泛，包括癌症研究、组织工程、药物开发和疾病治疗等多个领域(如图4)。特别是在理解复杂疾病如癌症的力学环境及其对病情进展的影响方面，DEFORM提供了一种全新的思路。
图4 光学复合黑腹果蝇幼虫体内力传感研究
前景展望
DEFORM技术开辟了细胞力学研究的新方向，并可能对疾病诊断和治疗策略的发展产生深远影响。在未来，研究团队计划进一步优化微激光器的设计和功能，提高其在更广泛生物样本中的应用适应性和测量精度。此外，通过整合更先进的光谱分析技术和自动化处理平台，DEFORM技术有望成为一种高通量的生物力学测试工具，用于大规模的生物医学和药物开发研究。
随着技术的成熟和优化，未来DEFORM可能被广泛应用于监测细胞生理和病理状态下的力学变化，特别是在癌症研究、再生医学和组织工程领域。此外，结合机器学习和人工智能算法，这一技术将能够提供更深入的生物力学数据解析，推动精准医疗和个性化治疗策略的发展。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01471-9
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