研究力学生物学的工具及方法

可以应用各种不同的方法研究细胞及其网络的力学特征［5］。

修饰的膜片钳方法是一种压力钳技术，可以用来研究对膜变形作出反应的单个离子通道活性（图9-2a）［5］。

已经发展出无数的荧光显微镜方法，来研究力学生物学。荧光相关光谱学（fluorescence correlation spectroscapy，FCS）是一种光学方法，此方法检测小的荧光波动；时间依赖的单光子计数（time-correlated single-photon counting，TCSPC）是另一种光学方法，需要测定荧光的衰减时间。为了特征化细胞的机械力，FCS和TCSPC两者都有用，因为它们依赖于光子与其环境之间的相互作用。基于共振能量转移（fluorescence resonance energy transfer，FRET）原理（一个激活的荧光团发射的光子可以激活另一个具有不同吸收与发射光谱的邻近荧光分子）的光学方法是有用的，因为它能够视见分子的力学作用。FRET途径特别值得提出，它应用独特设计的应变敏感FRET感受器，可用来活跃地检控作用于ECM和细胞骨架蛋白的应力［5］。

原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）应用一个悬臂来探查它与细胞或感兴趣分子所形成的分子键。悬臂可以把微力学的力给予细胞或分子，然后测定由悬臂产生的力（图9-4a）。AFM被证明是研究分子和细胞力学的关键工具。在AFM实验中曾发现啮齿类脑弹性的差别，这种差别是脑区不同解剖部位的函数；也曾经描写细胞生长着的肌动蛋白网络的力-速度关系。力学生物学研究的其他可重复的及定量的途径是捕获（trapping）方法，包括磁颗粒或光摄。磁场或激光被分别用来捕获、调控或监控物体和与之黏附的细胞或分子之间的力（图9-4b，c）。近来应用磁捕获的方法显示，整联蛋白介导的Rho信号传送可能是某些弥散性轴突损伤及中等度脑损伤的后果［5］。

图9-4　神经科学中对力学生物学研究有用的实验途径

（a）悬臂探针式原子力显微镜（AFM），用探针给予或监控细胞的机械力。（b）有一个例子是光学捕获方法。这里显示，一对激光形成弱的聚焦光束，用光束调控附着于细胞或分子硅珠的运动。通过激光束的运动，细胞或分子可以被推或拉，而所引起的力可以被测定。（c）其他捕获方法应用磁颗粒，把颗粒结合到细胞或分子上。细胞和它相关联的磁探针受弱电磁场的影响。电磁场是给予细胞外部的力，目的是测定和监控力学反应。（d）弹性微杆（elastomeric micropost）组合体使我们有可能测定生长着的细胞所产生的牵拉力。此法依赖于细胞和微杆结合点之间正在形成的局灶性黏附位点。生长着的细胞引起微杆的机械偏转，由此可以引导出力量。（e）可变形膜可以在培养底物上用整合的应变阵列进行微制作，这样就允许研究人员可以给予或测定一系列实验条件下细胞培养中的应变。（f）微流体小室可以用来给予剪力，剪力是当液体被强迫流过细胞并通过小室组合时产生的。（g）图像演示实现磁共振弹性图技术的基本途径。剪力波引入脑，并应用MRI方法加以监控，以此估计脑的剪力及弹性模量。（图引自［5］）

微工程化的进展导致近来力学生物学研究设计的爆发性发展。这些设计包括微电力学系统（microelectromechanical system，MEMS），其设计是一个微传动装置阵列（microactuator array）。此装置可以产生、测定细胞培养中电和微力学的变化：弹性微杆底物可以监控生长着的细胞所产生的牵拉力（图9-4d）；由可变形膜组成整合性应变系列，细胞可以在它上面培养生长，同时让细胞受到应变（图9-4e）；还有微流体芯片，通过液体经管道的流动，它可以给出剪力，整合到细胞培养的底物（图9-4f）。微流体小室被用于对轴突的剪力应力，为了建立模型及研究外伤性损伤。当其应用变得更加广泛的时候，可能还有其他的用处，例如研究脑的力学生物学。做全细胞膜片钳记录时，弹性标杆的集合体被成功地运用于感觉神经的力学换能过程的研究，但还没有用来研究中枢神经元的力学生物学特点。当工程化与神经科学继续它们学科之间整合的时候，我们预期，为了研究力学生物学，微工程化平台将被证明是有用的，它将会促进脑功能研究以及有关于在细胞力学作用水平上的脑功能失常研究［5］。

超声波是一种潜在有价值的工具，可用来研究完整脑回路的力学生物学。超声波可以被组织传送和聚焦，包括颅骨，以此可进行脑成像，或通过力学作用以影响脑的生理学活性。经颅超声波的力学生物效应，可以用来无侵入性地刺激脑回路。在成像模式下，超声波可以用来做功能组织的脉动成像，它检测由于脑血管血流而引起的脑组织微小位移。从诊断前景来看，曾经有材料反复显示，将要罹患帕金森病的许多病人，在其运动功能发生失常之前，他们的黑质常显示高回声的超声波。因为超声波回声发生在成像的时候，表明此时在组织机械特征方面已有差别，所以在帕金森病症状发生之前，病人的这种明显回声似乎关联到脑组织，即黑质硬度的变化。发展对声波场和脑之间力学相互作用的探查，正在使我们能够开始探测以前所未能探测的事情，即应用超声波来诊断和治疗脑疾病［5］。

根据磁共振成像数据做成的应变弹性图（elastogram），就是磁共振弹性图（MRE）。应变弹性图记录了组织对于外源性给予的半静态压迫或剪波的反应（图9-4g）。这种MRE弹性图可用于临床研究，因为许多疾病也关联到细胞弹性的变化。近来，MRE用来成像并特征化正常老人及病人脑的黏弹性特性，MRE可用来特征化啮齿类模型的TDI。近来根据神经成像数据，应用MRE进行观察的数目及广度有所增加，表明确定脑的力学性质的兴趣在强烈增长，其目的是确定脑的机械特性如何关联于脑的功能与疾病［5］。

如所预期，应用本章介绍的各种方法所获得的材料表明，取得的结果在力学量方面有相当程度的变异。这种变异性的产生来自任何一种方法的准确度和敏感度的差别，以及由于不同实验条件所致的差别。神经科学领域的力学生物学的进一步研究，应该聚焦适合某个具体问题的某个（些）方法。此外，由于力学生物学途径的局限性，在作出结论时应该小心谨慎［5］。