CN106872731A - 一种获取纳米探针与单细胞作用机制的方法 - Google Patents

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范娜
彭倍
姜海
王贵学
叶志易
张国成
杨龙祥
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Abstract

该发明公开了一种获取纳米探针与单细胞作用机制的方法，涉及原子力显微镜和细胞力学领域。本发明通过曲线确定细胞膜刺入力(F1)和细胞核被膜刺入力(F2)可以反映细胞所能承受的外力，量化反映细胞膜和细胞核被膜被刺入至少需要的外力大小；细胞膜的刺入力跳变(Fd1,k1))和细胞核被膜刺入力的跳变(Fd2,k2)可以反映细胞膜内外物质和细胞核被膜内外物质的差异，Fd和k越大表明膜内外物质的特性差异越大，差异大于一定值才能表明针尖刺入细胞膜或细胞核被膜，通过本次大量数据统计，我们设定Fd应大于0.07Nn，k大于0.5Nn/μm，这样的量化统计，测定数据可以作为未来智能化判断细胞膜和细胞膜核的刺入依据。

Description

一种获取纳米探针与单细胞作用机制的方法
技术领域
本发明涉及原子力显微镜和细胞力学领域，利用原子力显微镜(AFM)的纳米探针对单细胞进行物理穿透，发明了一种系统分析纳米探针和单细胞作用机制的10项参数法。这对全面认识细胞力学和细胞核力学有重要的发明意义。
背景技术
基于探针技术的单细胞力学研究是目前研究的热点。通过探针对单个细胞作用可以测得细胞的弹性模量、细胞与细胞之间的粘着力、细胞和胞外基质的粘着力。最近，基于原子力显微镜的纳米探针研究活细胞细胞核的力学性能成为了相关学者关注的热点。在测细胞核力学性能的过程中，首先纳米探针会穿透细胞膜，然后继续挤压细胞核，最后穿透细胞核被膜。这个过程可以通过原子力显微镜的力曲线来说明。然而，目前研究人员对纳米探针穿透细胞膜和细胞核的力曲线分析仅集中在测细胞膜和细胞核的弹性模量，忽略了探针穿透细胞膜和细胞核其他重要数据，如探针穿透细胞膜和细胞核所要施加的力，探针穿透细胞膜和细胞核的压入深度等，这些数据对全面了解探针和活细胞的相互作用至关重要。因此，为了全面掌握纳米探针和单细胞作用机制，
发明内容
本发明通过获取纳米探针穿透单细胞过程中的受力变化，通过受力变化的过程从而计算出纳米探针与单细胞之间各个过程的作用机制，计算出能表达各作用过程的具体参数。
本发明一种获取纳米探针与单细胞作用机制的方法，该方法包括：
步骤1：采用纳米探针缓慢作用于单细胞，依次穿透细胞膜和细胞核被膜，记录纳米探针的进针距离与受力变化关系；
步骤2：根据步骤1获得的进针距离与受力变化关系绘制出纳米探针的进针距离与受力作用曲线图；
步骤3：按纳米探针的进针方向在步骤2得到的曲线图上计算出曲线斜率突变的5个点，依次标记为A、B、C、D、E，坐标依次为(xa,ya)，(xb,yb)，(xc,yc)，(xd,yd)，(xe,ye)，和曲线首末2个点U,V,坐标依次为(xu,yu)，(xv,yv)。
步骤4：计算出能表示作用机制的参数；
计算探针从开始接触细胞膜到穿透细胞膜的压入深度D1：D1＝|xa-xb|；
计算探针穿透细胞膜后力下降的斜率k1：
计算探针穿透细胞膜后探针与细胞作用力的跳变值Fd1：Fd1＝|yb-yc|；
计算探针穿透细胞膜需要的力F1：F1＝yb-yu；
计算探针与细胞膜接触后的最大压入深度Dm：Dm＝xv-xa；
计算探针穿透细胞核被膜的压入深度D2：D2＝|xa-xd|；
计算探针穿透细胞核被膜后力下降的斜率k2：
计算探针穿透细胞核被膜后探针与细胞作用力的跳变值Fd2：Fd2＝|yd-ye|；
计算探针刺入细胞核被膜需要的力F2：F2＝yd-yu；
计算探针穿透细胞膜后的最大压入深度Dn：Dn＝xv-xc；
进一步的，所述步骤3中计算曲线斜率突变的5个点的具体方法为：
当曲线斜率小于-0.2nN/μm时，认定细胞开始与探针接触，曲线第一个斜率小于-0.2nN/μm为A点；当曲线产生跳变时，必定会产生一个局部极大点和一个局部极小点，如果一个点的y值大于其前20个与后20个点，那么它就为局部极大点，同理，如果一个点的y值小于其前20个与后20个点，那么它就为局部极小点，我们认为第一个局部极大点为B点，第一个局部极小点为C点；第二个局部极大点为D点，第二个局部极小点为E点。
目前基于探针穿透细胞的研究，主要关注探针穿透细胞膜的概率，探针穿透细胞的作用机制还不得而知。该发明不仅可以通过探针-细胞作用的力曲线统计出细胞膜乃至其细胞核的刺入概率，还可以对整个刺入过程进行量化的分析和讨论，揭示细胞更多有价值的信息：细胞膜刺入力(F1)和细胞核被膜刺入力(F2)可以反映细胞所能承受的外力，量化反映细胞膜和细胞核被膜被刺入至少需要的外力大小；细胞膜的刺入力跳变(Fd1,k1))和细胞核被膜刺入力的跳变(Fd2,k2)可以反映细胞膜内外物质和细胞核被膜内外物质的差异，Fd和k越大表明膜内外物质的特性差异越大，差异大于一定值才能表明针尖刺入细胞膜或细胞核被膜，通过本次大量数据统计，我们设定Fd应大于0.07Nn，k大于0.5Nn/μm，这样的量化统计，可以作为未来智能化判断细胞膜和细胞膜核的刺入依据。对于压入深度的测量(D1，D2，Dm，Dn)可以形象的描述探针压入细胞的过程，量化的这些压入值将对未来智能控制下针位移有重要参考作用。
附图说明
图1左边为培养皿中人成纤维细胞，右边为单个成纤维细胞；
图2左边为培养皿中乳腺癌细胞，右边为单个乳腺癌细胞；
图3中(a)为商业化的金字塔氮化硅针尖显微图，(b)为FIB加工的氮化硅纳米细针显微图，(c)为光学显微镜下探针与单细胞作用显微图；
图4为探针与单细胞作用的力曲线及探针与单细胞作用的示意图；
图5为金字塔形氮化硅针尖与成纤维细胞作用的力曲线图；
图6为金字塔形氮化硅针尖MCF-7相互作用力曲线分析示意图；
图7为FIB加工的氮化硅纳米细针与成纤维细胞作用的力曲线图。
具体实施方式
1.人皮肤成纤维细胞(Fibroblasts简称“FB”)和乳腺癌细胞(MCF-7)的培养方法
FB和MCF-7各自培养在35mm直径的培养皿中，培养液为DMEM/HIGH GIUCOSE和10％的胎牛血清(FBS)，细胞培养在37℃,5％CO2的孵箱中，至少培育24小时。图1为培养皿中的人皮肤成纤维细胞和原子力显微镜得到的单个成纤维细胞形貌图。图2为培养皿中的乳腺癌细胞和原子力显微镜得到的单个乳腺癌细胞形貌图。
2.AFM实验以及参数设计
为了说明该方法的普适性，实验中分别选用了两种细胞,成纤维细胞(图1)和乳腺癌细胞(图2)；选用了两种形状的探针，商业化的金字塔形氮化硅针尖(图3(a))和聚焦离子束(FIB)加工的氮化硅纳米细针(图3(b))。两种细胞和两种探针分别进行了三组实验。第一组为商业化的氮化硅探针和成纤维细胞相互作用，第二组为商业化的氮化硅探针和乳腺癌细胞相互作用，第三组为FIB加工的纳米细针和成纤维细胞相互作用。探针的弹性模量为0.01N/m～0.3N/m,图3(c)为实验中光学显微镜中探针与细胞的作用图。实验设置的加载条件为1nN～10nN，下针速度为2μm/s。
图3(a)商业化的金字塔氮化硅针尖，(b)FIB加工的氮化硅纳米细针，(c)光学显微镜下探针与单细胞作用
3.探针与单细胞的作用过程
图4为探针与单细胞作用的力曲线以及探针与细胞作用的示意图。红色表示进针曲线，蓝色表示回针曲线。在进针曲线中，探针与细胞相互作用分为4个阶段：
第一个阶段(AB)：针尖与细胞接触后，探针对细胞施加压力，细胞发生变形；
第二个阶段(BC)：当探针施加的压力达到一定值以后，细胞膜被刺破，此时力曲线会出现一个明显的跳变，力从B点下降到C点，这是探针穿透细胞膜的标志。探针进入细胞质，此时针尖所受到的力主要是细胞质与针尖的摩擦力。
第三个阶段(CD)：这个阶段探针会继续往下压，直到压到细胞核，随着探针的作用力逐渐增大，细胞核被压变形。
第四个阶段(DE)：当探针施加的压力达到一定值以后，细胞核被膜被刺破，此时力曲线会出现第二个跳变，力从D点下降到E点，这是探针穿透细胞核被膜的标志，探针进入细胞核中，此时针尖所受到的力主要是细胞核中物质与针尖的摩擦力。
探针与单细胞作用的10项参数分析法
探针穿透细胞的过程中，会出现两次跳变。图5为商业化的金字塔形氮化硅针尖与成纤维细胞作用的力曲线图，图6为商业化的金字塔形氮化硅针尖与癌细胞作用的力曲线图，图7为FIB加工的氮化硅纳米细针与成纤维细胞作用的力曲线图。这些力曲线图中都包含了2次跳变，在两次跳变中共有10个重要参数。第一次跳变包含了5个参数，D1、F1、Dm、k1、Fd1；第二次跳变包含了5个参数，D2、F2、Dn、k2、Fd2。
这些参数分别表示：
D1：探针从开始接触细胞膜到穿透细胞膜的压入深度；
F1：探针穿透细胞膜需要的力；
Dm：探针与细胞膜接触后的最大压入深度；
k1:探针穿透细胞膜后力下降的斜率；
Fd1:探针穿透细胞膜后探针与细胞作用力的跳变值；
D2：探针穿透细胞核被膜的压入深度；
F2：探针刺入细胞核被膜需要的力；
Dn:探针穿透细胞膜后的最大压入深度；
k2:探针穿透细胞核被膜后力下降的斜率；
Fd2:探针穿透细胞核被膜后探针与细胞作用力的跳变值。

Claims (2)

1.一种获取纳米探针与单细胞作用机制的方法，该方法包括：
步骤1：采用纳米探针缓慢作用于单细胞，依次穿透细胞膜和细胞核被膜，记录纳米探针的进针距离与受力变化关系；
步骤2：根据步骤1获得的进针距离与受力变化关系绘制出纳米探针的进针距离与受力作用曲线图；
步骤3：按纳米探针的进针方向在步骤2得到的曲线图上计算出曲线斜率突变的5个点，依次标记为A、B、C、D、E，坐标依次为(xa,ya)，(xb,yb)，(xc,yc)，(xd,yd)，(xe,ye)，和曲线首末2个点U,V,坐标依次为(xu,yu)，(xv,yv)。
步骤4：计算出能表示作用机制的参数；
计算探针从开始接触细胞膜到穿透细胞膜的压入深度D1：D1＝|xa-xb|；
计算探针穿透细胞膜后力下降的斜率k1：
计算探针穿透细胞膜后探针与细胞作用力的跳变值Fd1：Fd1＝|yb-yc|；
计算探针穿透细胞膜需要的力F1：F1＝yb-yu；
计算探针与细胞膜接触后的最大压入深度Dm：Dm＝xv-xa；
计算探针穿透细胞核被膜的压入深度D2：D2＝|xa-xd|；
计算探针穿透细胞核被膜后力下降的斜率k2：
计算探针穿透细胞核被膜后探针与细胞作用力的跳变值Fd2：Fd2＝|yd-ye|；
计算探针刺入细胞核被膜需要的力F2：F2＝yd-yu；
计算探针穿透细胞膜后的最大压入深度Dn：Dn＝xv-xc。
2.如权利要求1所述的一种获取纳米探针与单细胞作用机制的方法，其特征在于所述步骤3中计算曲线斜率突变的5个点的具体方法为：
当曲线斜率小于-0.2nN/μm时，认定细胞开始与探针接触，曲线第一个斜率小于-0.2nN/μm为A点；当曲线产生跳变时，必定会产生一个局部极大点和一个局部极小点，如果一个点的y值大于其前20个与后20个点，那么它就为局部极大点，同理，如果一个点的y值小于其前20个与后20个点，那么它就为局部极小点，我们认为第一个局部极大点为B点，第一个局部极小点为C点；第二个局部极大点为D点，第二个局部极小点为E点。
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