宋 翠，張 瀟，魏 煒，馬光輝

(1. 中國科學(xué)院 過程工程研究所 生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

近年來，納微顆粒憑借其特殊的尺寸效應(yīng)和物理化學(xué)性質(zhì)，在醫(yī)藥、物理、光學(xué)和電學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，納微顆粒被廣泛用作緩釋制劑、靶向制劑和疫苗佐劑等[1]。顆粒在體內(nèi)輸運(yùn)過程中，其與體內(nèi)細(xì)胞接觸并相互作用，相關(guān)研究表明這種相互作用會對細(xì)胞的生長、遷移和細(xì)胞因子的分泌等生理過程產(chǎn)生重要影響，從而調(diào)控顆粒攜帶的生物藥劑的藥效發(fā)揮、靶向性以及顆粒的佐劑免疫效果等[2]。因此，研究顆粒與細(xì)胞的相互作用對于促進(jìn)納微顆粒在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要的意義。

已有研究表明，顆粒與細(xì)胞的相互作用與顆粒的理化性質(zhì)密切相關(guān)，顆粒的粒徑、表面性質(zhì)、形狀等都會影響其與細(xì)胞的作用過程[3-4]，并且隨著微納米制造技術(shù)的發(fā)展，定向調(diào)控顆粒的理化性質(zhì)成為可能[5]。為了系統(tǒng)深入地研究顆粒與細(xì)胞的相互作用，定量檢測作用過程的重要參數(shù)和闡明其微觀作用機(jī)制，近年來發(fā)明和改進(jìn)了許多先進(jìn)的檢測設(shè)備和技術(shù)，例如光鑷[6]、磁鑷[7]和原子力顯微鏡[8]等。其中，原子力顯微鏡(atomic force microscopy,AFM)由于具有高靈敏度(皮牛級)、高分辨率(納米級)以及可在生理環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時檢測等優(yōu)勢備受關(guān)注。雖然有研究報道原子力顯微鏡在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用[9-10]，但對于原子力顯微鏡檢測顆粒與細(xì)胞相互作用的文獻(xiàn)綜述卻很少，因此，本文中筆者系統(tǒng)闡述AFM在研究顆粒與細(xì)胞相互作用的原理及應(yīng)用，以期為后續(xù)的研究提供參考。

1 原子力顯微鏡的基本介紹

1.1 力學(xué)測量原理

自從1986年Binnig等[8]發(fā)明原子力顯微鏡以來，AFM 已成為獲取材料表面原子級分辨率圖片和檢測力學(xué)性能的有力工具。AFM可以在真空、大氣或者溶液環(huán)境中操作，檢測對象可以是導(dǎo)體、半導(dǎo)體或者絕緣體，克服了之前掃描隧道顯微鏡只能對導(dǎo)電樣品表面進(jìn)行檢測的局限。其工作原理如下：將一個彈性微懸臂的一端固定，另一端有一微小的針尖與樣品表面相互作用,使懸臂發(fā)生位移，懸臂的位移通過激光和四象限檢測器來進(jìn)行記錄監(jiān)控，在掃描過程中，懸臂垂直方向的位移被轉(zhuǎn)換成樣品表面形貌，同時通過測定懸臂的彈性系數(shù)也可獲得力與位移的曲線，如圖1所示，包括靠近曲線和遠(yuǎn)離曲線。樣品的力學(xué)性質(zhì)(如黏附力、楊氏模量等)可以從力曲線中獲得。黏附力可以直接從遠(yuǎn)離曲線中讀取，楊氏模量需要先把力曲線轉(zhuǎn)換為力與壓痕深度的曲線，然后再選擇合適的理論模型(Hertz模型或Sneddon 模型)來擬合計算[11]。

圖1 AFM檢測顆粒與細(xì)胞之間的相互作用力曲線Fig.1 Interaction forces between particle and cellmeasured by AFM

1.2 探針

探針是AFM最核心最重要的元件，它一般包含兩個部分：懸臂和針尖。探針懸臂的材質(zhì)通常是Si或者Si3N4，形狀有矩形或V字形。為了提高反射率，懸臂的背面會鍍有一層薄薄的金屬層(一般為Au)，這對于AFM在液體中進(jìn)行檢測是非常必要的，因?yàn)樵谝后w中Si3N4的反射率會明顯下降。懸臂的核心參數(shù)是其彈性系數(shù)，在進(jìn)行力曲線測量時需要首先對其標(biāo)定和校正，目前最常用的校正方法是Thermal Tuning法[12-13]和Sader法[14-15]。

探針針尖主要由Si或Si3N4材質(zhì)制造，但是為了滿足特殊的應(yīng)用需求，鉆石、碳或者礦物單晶等[16-17]也可用做探針針尖，形狀通常是三角錐形，半徑分布在十到幾十納米。

1.3 膠體探針

通過對探針表面修飾化學(xué)分子或目標(biāo)蛋白，AFM可以檢測不同分子之間或分子與細(xì)胞之間的相互作用[18-19]。為了進(jìn)一步測量顆粒與細(xì)胞的相互作用，需要將微納米級的顆粒黏附在探針懸臂末端，將其作為探針針尖與細(xì)胞接觸來進(jìn)行測量，這種探針被稱為膠體探針[20](圖1)。與傳統(tǒng)探針相比，膠體探針有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，顆粒與細(xì)胞接觸面的曲率半徑大，這增加了顆粒與細(xì)胞的接觸面積，減少了錐形探針對細(xì)胞局部應(yīng)力過大的傷害；其次，接觸面積變大使得細(xì)胞局部的硬度波動變小，因此只需較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)便可獲得更可靠的數(shù)據(jù)；最后，將膠體探針與細(xì)胞表面接觸的幾何形狀視為球形，細(xì)胞的楊氏模量就可以選用簡單的Hertz 模型直接擬合得到[11]，無需進(jìn)行繁雜的公式推導(dǎo)，這極大地提高了數(shù)據(jù)處理效率。

膠體探針的出現(xiàn)為AFM的應(yīng)用開拓了新的領(lǐng)域，研究者們進(jìn)一步對膠體探針進(jìn)行修飾[21-22]，從而進(jìn)行一系列特定相互作用力大小和作用機(jī)制的研究。自從Ducker等[20]和 Butt 等[23]在1991年報道了膠體探針制備技術(shù)后，已經(jīng)涌現(xiàn)出各種各樣的膠體探針的制備方法[24-25]。研究者們可以根據(jù)顆粒的性質(zhì)、操作環(huán)境和特殊的設(shè)備要求等來選擇合適的方法進(jìn)行膠體探針的制備。

1.4 樣品制備

AFM的樣品不需要染色、標(biāo)記或噴涂，因此分子、細(xì)胞等生物樣品可以直接在生理環(huán)境中進(jìn)行觀察。然而生物樣品的制備也是限制AFM在生物領(lǐng)域應(yīng)用的主要原因，因?yàn)闇y量時需要保證生物樣品牢牢地固定在基底上以避免被探針刮走或者發(fā)生結(jié)構(gòu)改變。對于活細(xì)胞，特別是哺乳動物細(xì)胞，它們具備良好的貼壁生長性能，不會輕易被探針干擾或移動，因此可以直接在培養(yǎng)皿中進(jìn)行掃描。而對于懸浮細(xì)胞或者細(xì)菌，就需要在掃描時使用特殊的實(shí)驗(yàn)方法將其固定，比如固定在濾膜膜孔中[26]，或者通過修飾基底表面將樣品固定[27]等。不管選擇何種樣品制備方法，在檢測時都要盡量選擇較小的力和合適的掃描模式以降低探針對樣品的影響。

1.5 力學(xué)測量技術(shù)的發(fā)展

隨著AFM的不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，其檢測模式和測量方法也不斷被優(yōu)化。在AFM現(xiàn)有的測量方法中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的表面形貌信息和相關(guān)力學(xué)性能的同步測量，避免了之前對力曲線的后續(xù)手動擬合環(huán)節(jié)，極大地提高了測量效率。其中的一種技術(shù)是力體積成像技術(shù)(force volume imaging)[28-29]，這種技術(shù)可以對樣品選定范圍進(jìn)行逐點(diǎn)力測定，并以圖像中相應(yīng)像素點(diǎn)的明暗程度表示作用力的大小，從而直觀地反映出樣品表面的整體特征，避免了單點(diǎn)力測定的一些局限性，然而其線性分辨率較低，且掃描速度較慢，因此獲得一幅完整的表面圖需要很長的時間。最新開發(fā)的一種技術(shù)叫定量納米力學(xué)成像技術(shù)(peak force quantitative nanomechanical property mapping，PFQNM)[30-31]，該技術(shù)不僅易操作,而且可以在輕敲模式下快速地獲得高分辨率的樣品表面力學(xué)圖像，極大地提高了AFM力學(xué)測量的效率。

2 AFM測量顆粒與細(xì)胞相互作用在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

顆粒與細(xì)胞的相互作用會受到顆粒理化性質(zhì)的影響，包括顆粒的大小、形狀、表面電荷和官能團(tuán)等，利用顆粒制備技術(shù),比如物理性質(zhì)優(yōu)化、化學(xué)修飾或者生物合成等,可以制備需要的顆粒,從而滿足其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。利用AFM檢測顆粒與細(xì)胞之間的相互作用，獲得相應(yīng)的力學(xué)性能，這些力學(xué)性能和體系中的生理現(xiàn)象相結(jié)合有助于解釋顆粒在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用，如藥物遞送、免疫響應(yīng)和細(xì)胞力學(xué)等涉及深層次的作用機(jī)制，包括顆粒進(jìn)入體內(nèi)后，影響其作為藥物遞送系統(tǒng)靶向性、高效性的因素和對細(xì)胞毒性的影響；顆粒與免疫細(xì)胞相互作用從而介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的機(jī)制以及作為疫苗佐劑的免疫響應(yīng)機(jī)制；顆粒與細(xì)胞相互作用對細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的影響等。

2.1 藥物遞送

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，越來越多的生物藥物得到發(fā)明和開發(fā)，例如，蛋白質(zhì)、多肽、抗體和核酸等。然而生物藥物存在體內(nèi)易降解、半衰期短、患者必須接受頻繁注射、血藥濃度波動大、藥效不理想或產(chǎn)生毒副作用等問題，特別是抗腫瘤藥物存在瘤內(nèi)滲透困難和細(xì)胞攝取不足的難題，這些都會導(dǎo)致實(shí)際治療效果不佳。為了提高生物藥物的利用率、靶向性并減少毒副作用，研究者們進(jìn)行了大量藥物遞送系統(tǒng)的研究工作[32-33]。藥物遞送最基本的原則是直接將藥物輸送到目標(biāo)組織或細(xì)胞以獲得最好的治療效果和最小的毒性影響，而阻礙治療效果的原因主要是藥物遞送系統(tǒng)與各種生理和病理環(huán)境的復(fù)雜相互作用。生物納米技術(shù)的應(yīng)用使得納微級顆粒的藥物遞送系統(tǒng)得以快速發(fā)展并備受關(guān)注[34-35]，這些載體可包裹靶向細(xì)胞或組織的表面受體的成分，并具有膜內(nèi)外運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>

藥物遞送到指定位置時首先是載體顆粒與生物膜接觸發(fā)生相互作用，如果要將更多的藥物遞送到靶向細(xì)胞，那么載體與細(xì)胞膜之間強(qiáng)烈的相互作用可能會引起細(xì)胞膜的不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生細(xì)胞毒性。AFM成像能在時空尺度上對細(xì)胞膜接觸藥物分子、納米顆?；蛩幬飶?fù)合物后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化和膜重組過程進(jìn)行監(jiān)測。Banaszak研究組的Hong等[36]、Leroueil等[37-38]利用AFM成像揭示了具有氨基末端的聚酰胺(PAMAM)聚合物與細(xì)胞膜相互作用對細(xì)胞膜的影響，研究發(fā)現(xiàn)，帶正電的PAMAM會引起細(xì)胞膜的無序排列，在磷脂雙分子層區(qū)域形成直徑約30 nm的孔，且會使膜變薄甚至發(fā)生膜擾動，而在這些無序排列的部位發(fā)現(xiàn)了藥物遞送系統(tǒng)的聚集，然而不帶電的顆粒卻不會產(chǎn)生這些變化。

通過膠體探針AFM，可以檢測影響藥物遞送系統(tǒng)與細(xì)胞作用的各種影響因素，比如細(xì)胞、顆粒的性質(zhì)和生理環(huán)境等。Pyo等[39]利用AFM研究了不同的細(xì)胞及細(xì)胞培養(yǎng)密度對納米硅藥物遞送系統(tǒng)與細(xì)胞相互作用的影響，結(jié)果顯示不同的細(xì)胞培養(yǎng)密度以及細(xì)胞表面的褶皺形貌都會對相互作用產(chǎn)生影響。Shinto 等[22]利用膠體探針研究了不同條件下聚乳酸微球(PLLA)與小鼠黑色素瘤細(xì)胞的相互作用，研究表明，微球表面包裹了羥磷灰石(HAp)納米顆粒后，相較于光滑的PLLA顆粒，其與細(xì)胞的黏附力增大，并且在有血清的環(huán)境中比在無血清環(huán)境中黏附力也會增大，這可能是由于HAp/PLLA顆粒表面呈正電并會吸附較多血清中黏附蛋白的原因。Pyrgiotakis等[40]研究了功能化的納米顆粒CeO2和Fe2O3在不同的生理環(huán)境中與肺的上皮細(xì)胞之間的相互作用，結(jié)果表明，它們之間的相互作用力很大程度上依賴于生理環(huán)境，在生理液中蛋白冠的存在減弱了顆粒與細(xì)胞之間的相互作用，另外，這種作用也受顆粒大小和材質(zhì)的影響。

上述研究表明：要減少藥物遞送系統(tǒng)對正常細(xì)胞的毒性并且提高對于靶向細(xì)胞的靶向效率，其理化性質(zhì)以及所處的生理環(huán)境等都會產(chǎn)生重要的影響。因此，構(gòu)建高效安全的藥物遞送系統(tǒng)，需要評價各種因素，從而進(jìn)行篩選。傳統(tǒng)的篩選方法費(fèi)時費(fèi)力，而利用AFM測量藥物遞送系統(tǒng)與細(xì)胞之間的相互作用，通過測量黏附力，可以快速準(zhǔn)確地評價各因素對相互作用的影響，這為設(shè)計和制備更加高效安全的藥物遞送系統(tǒng)提供了直觀準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

2.2 免疫響應(yīng)

免疫反應(yīng)可分為非特異性免疫反應(yīng)和特異性免疫反應(yīng)。非特異性免疫反應(yīng)對抗原反應(yīng)迅速，是人體的第一道防線[41]。特異性免疫反應(yīng)，是通過免疫細(xì)胞的選擇和擴(kuò)增來激活T細(xì)胞和B細(xì)胞，從而獲得永久性免疫記憶[42]。非特異性免疫可以協(xié)同和參與特異性免疫反應(yīng)。顆?？梢宰鳛樽魟┗虬肟乖せ蠲庖叻磻?yīng)[43]，當(dāng)顆粒進(jìn)入身體時，它們與免疫細(xì)胞的相互作用方式可能是多種多樣的[44]，它們可以與中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和其他效應(yīng)細(xì)胞作用從而引發(fā)炎癥反應(yīng)，也可以與樹突細(xì)胞(DC 細(xì)胞)相互作用而被內(nèi)吞噬從而發(fā)生抗原反應(yīng)。而顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)會影響其與免疫細(xì)胞的相互作用和隨后的免疫反應(yīng)，所以檢測顆粒與免疫細(xì)胞的相互作用對研究免疫反應(yīng)、揭示免疫機(jī)制具有重要的意義。

為揭示顆粒激活免疫細(xì)胞，介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的機(jī)制,Ng等[45]利用AFM研究了尿酸鈉晶體與DC細(xì)胞膜的相互作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在沒有受體的情況下，晶體顆粒能直接作用于細(xì)胞膜上特別是膽固醇部分,從而激活DC細(xì)胞內(nèi)SyK激酶介導(dǎo)的信號傳遞。為研究最原始的免疫細(xì)胞吞噬顆粒的作用機(jī)制，Mu等[46]使用AFM聯(lián)合熒光顯微鏡，通過AFM將聚苯乙烯顆粒置于DC細(xì)胞上與細(xì)胞接觸，實(shí)時記錄細(xì)胞膜上磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2)和膜突蛋白的熒光圖像，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在沒有受體時，固體顆粒接觸細(xì)胞膜引起質(zhì)膜變形，使得PIP2蛋白聚集，從而結(jié)合膜突蛋白，進(jìn)一步激活SyK激酶并引起細(xì)胞的吞噬作用。

顆粒佐劑作為一種重要的疫苗佐劑，其免疫效應(yīng)也備受關(guān)注，其中鋁佐劑被廣泛應(yīng)用，但其免疫機(jī)制尚不明確。為揭示鋁佐劑的免疫作用機(jī)制，F(xiàn)lach等[47]將鋁佐劑粘于AFM探針上，并實(shí)時檢測鋁佐劑與樹突細(xì)胞的相互作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者之間有很強(qiáng)的作用力，但鋁佐劑一直停留在細(xì)胞膜上時并不會被吞噬，與鋁佐劑相互作用后的DC細(xì)胞隨后被激活。他們研究發(fā)現(xiàn)可能是由于細(xì)胞膜磷脂層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變激活了DC細(xì)胞，從而提出了一種關(guān)于鋁佐劑的新的免疫機(jī)制。

抗原提呈細(xì)胞(antigen-presenting cells,APCs)特別是DC 細(xì)胞的激活是引發(fā)機(jī)體免疫應(yīng)答的第一關(guān)，DC 細(xì)胞表面表達(dá)多種受體，進(jìn)入體內(nèi)的抗原通過與受體識別、結(jié)合而激活免疫細(xì)胞是目前研究比較成熟的一種激活途徑。另外，免疫細(xì)胞也可以在無受體參與的情況下被顆粒激活，但其激活的機(jī)制與途徑等的相關(guān)研究卻很少。研究者們通過AFM檢測顆粒與免疫細(xì)胞之間的相互作用，為揭示無受體情況下顆粒激活A(yù)PCs、介導(dǎo)炎癥反應(yīng)以及細(xì)胞吞噬等免疫作用機(jī)制提供了一種新的研究思路和方法。

2.3 細(xì)胞力學(xué)

細(xì)胞力學(xué)主要研究活細(xì)胞的行為、力學(xué)性能以及它們與細(xì)胞功能的關(guān)系。組成細(xì)胞的結(jié)構(gòu)包括細(xì)胞膜、細(xì)胞骨架、細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)，它們的力學(xué)和動態(tài)行為以及如何相互作用從而影響細(xì)胞的整體性質(zhì)是細(xì)胞力學(xué)研究的重點(diǎn)[48]。研究表明，細(xì)胞對于外界刺激的力學(xué)響應(yīng)對于細(xì)胞的行為有重要的影響，例如，細(xì)胞的遷移、擴(kuò)增、分化和凋亡等[49]。顆粒技術(shù)的快速發(fā)展使得顆粒成為研究細(xì)胞力學(xué)的理想工具，因?yàn)轭w粒能與細(xì)胞直接接觸，通過一定的方法可檢測顆粒是如何改變細(xì)胞硬度和力學(xué)性能的。AFM在檢測細(xì)胞力學(xué)方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，特別是膠體探針的應(yīng)用使得AFM成為目前利用顆粒進(jìn)行細(xì)胞力學(xué)性能測量尤其是細(xì)胞表面力學(xué)測量的主要工具。

利用膠體探針AFM，可檢測細(xì)胞骨架的力學(xué)性能，從而對肌動蛋白在調(diào)節(jié)細(xì)胞的黏彈性及力學(xué)行為上的作用進(jìn)行研究。Watanabe-Nakayama等[50]用粘有玻璃小球的AFM 探針，第一次定量檢測了細(xì)胞對于循環(huán)拉伸和壓縮的響應(yīng)，結(jié)果表明，由于細(xì)胞黏彈性，細(xì)胞張力開始增加然后在1 min內(nèi)減少；超過幾分鐘后，這種松弛度會緩慢增加，張力的恢復(fù)在幾次往復(fù)施加力后逐漸消失；當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的肌動蛋白被抑制后，張力的恢復(fù)也被抑制，表明這種行為是由肌動蛋白驅(qū)動的。利用膠體探針，還可比較細(xì)胞不同部分的力學(xué)性能，Babahosseini等[51]使用了粘有玻璃小球的探針比較了非浸潤性人乳腺細(xì)胞(MCF-10A)和浸潤性乳腺癌細(xì)胞(MDA-MB-231)內(nèi)部區(qū)域的生物力學(xué)性能。他們把細(xì)胞從上到下分為三層結(jié)構(gòu)：質(zhì)膜和肌動蛋白層(上層)、胞質(zhì)和細(xì)胞核層(中層)以及細(xì)胞核和整合素層(底層)，利用廣義麥克斯韋模型比較了2種細(xì)胞不同層的硬度，結(jié)果表明，無論哪種細(xì)胞越往下其硬度和黏性越大，并且發(fā)現(xiàn)非浸潤性細(xì)胞的硬度和黏性要比浸潤性細(xì)胞大。現(xiàn)在的AFM還可以通過聯(lián)合其他先進(jìn)技術(shù)(如熒光成像技術(shù)等)來拓展它的應(yīng)用[52-53]，這種集成多種功能的AFM可以實(shí)時檢測力作用時細(xì)胞的反應(yīng)。例如Shi等[54]將AFM與熒光顯微鏡聯(lián)用，對牙周韌帶細(xì)胞進(jìn)行了形貌微結(jié)構(gòu)表征，并利用膠體探針對細(xì)胞施加一定的力，通過熒光顯微鏡實(shí)時觀察細(xì)胞受到力后其結(jié)構(gòu)的變化與反應(yīng)，最后發(fā)現(xiàn)該細(xì)胞具有很強(qiáng)的力纖維和楊氏模量，所以它能很好地抵消外力的影響。

細(xì)胞的黏彈性和力學(xué)性能也可作為疾病診斷的依據(jù)，比如癌癥、關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥和心血管病等[55]。Cross等[56]提取了肺、胰腺和乳腺癌細(xì)胞并用AFM對它們的硬度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞比良性的細(xì)胞都要軟，說明力學(xué)性能可以作為區(qū)別癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的一個判斷依據(jù)。Nguyen等[57]通過使用微米級的球形探針，表征了良性人乳腺細(xì)胞MCF-10A和人乳腺癌上皮細(xì)胞(MCF-7)的黏彈性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者有明顯的區(qū)別，MCF-7細(xì)胞比MCF-10A 細(xì)胞更軟，經(jīng)過細(xì)胞松弛素處理的MCF-10A，由于細(xì)胞骨架排列被擾亂其松弛度會增加。這與Li等[58]對細(xì)胞MCF-7和MCF-10A的研究結(jié)果一致。

膠體探針AFM 在細(xì)胞力學(xué)領(lǐng)域取得了許多突破性的進(jìn)展，通過AFM 可以檢測單個細(xì)胞和細(xì)胞膜等細(xì)胞組分的力學(xué)性能，得到包括細(xì)胞膜楊氏模量、細(xì)胞骨架和細(xì)胞核黏彈性等特征參數(shù)。利用AFM 研究力對細(xì)胞性質(zhì)和功能的影響，是揭示組織、器官生物力學(xué)特性的基礎(chǔ)，也是進(jìn)一步研究細(xì)胞內(nèi)生物大分子力學(xué)性能的出發(fā)點(diǎn)。同時，有助于深入研究細(xì)胞的生理、病理行為，為疾病的快速診斷和鑒別提供了一種有效的技術(shù)手段。

3 展望

顆粒與細(xì)胞的相互作用因?yàn)榫哂兄匾纳硪饬x和廣泛的應(yīng)用前景受到越來越多的重視，先進(jìn)的顆粒制備技術(shù)提供了顆粒的多樣性，檢測技術(shù)的發(fā)展也使得結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。AFM經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為表征和研究活細(xì)胞的主要工具之一，特別是在力學(xué)性能測量方面，憑借其獨(dú)特的檢測優(yōu)勢，AFM成為了檢測顆粒與細(xì)胞相互作用的重要工具。但AFM也有待改善的地方：首先，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，現(xiàn)在每次實(shí)驗(yàn)是通過一根探針對單一目標(biāo)進(jìn)行測量，為了提高效率，未來可以開發(fā)多探針并行系統(tǒng)。其次，目前AFM主要對顆粒與細(xì)胞膜表面的相互作用進(jìn)行檢測，對于細(xì)胞內(nèi)部的檢測還存在困難，這有望通過制造更加細(xì)長的探針比如納米針來實(shí)現(xiàn)[59]，這種探針可以在減少損傷細(xì)胞的情況下刺入細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行操作,從而對細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)等進(jìn)行原位力學(xué)性質(zhì)測量。為了更好地研究顆粒與細(xì)胞之間的相互作用，研究者們利用光鑷、磁鑷等技術(shù)直接通過激光或磁場操縱顆粒進(jìn)行相互作用的研究，兩種技術(shù)能實(shí)現(xiàn)同時檢測多個顆粒并可在細(xì)胞內(nèi)操縱顆粒，彌補(bǔ)了AFM 的不足，三種技術(shù)各有優(yōu)勢，在研究時可以相互補(bǔ)充。

目前，將 AFM與其他的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用，比如熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡以及單分子熒光顯微鏡等已經(jīng)成為新的研究熱點(diǎn)，通過聯(lián)用可以在獲得力學(xué)性能數(shù)據(jù)的同時獲得熒光圖像等信息，直接觀察到力學(xué)性能對細(xì)胞行為及功能的影響等，當(dāng)然現(xiàn)在的聯(lián)用技術(shù)還不太完善，未來還需要進(jìn)行更多的探索工作。