日前，《nature communications》杂志在线发表了东南大学生物科学与医学工程学院顾忠泽教授团队的一项最新研究成果，论文标题为“使用光子晶体对细胞力进行成像（imaging cellular forces with photonic crystals）”。研究团队成功开发了光子晶体细胞力显微镜(pccfm)，该技术利用光子晶体基底可视化的颜色变化并使用配套算法定量检测垂直细胞力,实现了从亚细胞、细胞到组织等不同尺度的实时细胞力成像。该技术克服了现有细胞力量化技术在活细胞成像通量和多尺度分析方面的局限,可广泛应用于相关的药物筛选、发育和肿瘤机制的研究。
光子晶体显微镜系统 (a)批量制备的光子晶体基底用于高通量筛选。(b)光子晶体生物力显微镜成像系统示意图。(c)同时对数十个细胞进行高通量测量。虚线框中的mdck细胞的(d)光子晶体模态图、(e)明场和(f)肌动蛋白（红）、paxillin （绿）、细胞核（蓝）的荧光染色图。沿（d）中箭头轨迹的垂直位移和应力的两条曲线在(g) 中显示。
光子晶体是一类具有周期性纳米结构的材料,能够产生与周期相关的稳定结构色。顾忠泽教授团队利用该特性,设计制备出一种新型的光子晶体基底。当细胞在该基底上施加作用力时,基底会发生形变从而使结构色发生改变。他们构建了pccfm成像系统,通过记录光子晶体基底的颜色变化,实现对细胞施加的垂直作用力的定量检测。实验表明,pccfm能够实现对细胞黏着斑的高分辨率成像;对肺腺癌细胞、原代心肌细胞施加的垂直力进行高通量定量检测;对mda-mb-231乳腺癌细胞及hek293三维细胞簇对药物刺激的响应进行实时监测。此外,pccfm还能够实现对心肌细胞片层在静止状态和搏动状态下的垂直力变化进行动态检测。该技术可集成在人体器官芯片模型中,实现药物对细胞力学信息的实时监测,从而更精准快速地评价药效与毒性。
东南大学博士生李奇维、陈早早副研究员、张英副研究员、丁双博士为论文的共同第一作者，顾忠泽教授为通讯作者。
供稿：生物科学与医学工程学院