机械转导新突破：IsoStretcher平台结合Ca2+成像实现高通量细胞力学信号分析

《BIOspektrum》：Mehr Content! Eine neue Biomechatronik-L?sung für die Mechanobiologie

针对传统电生理技术通量低、难以在细胞群体中研究机械敏感离子通道（MSIC）的局限，研究人员开发了一种结合各向同性机械拉伸与实时Ca2+荧光成像的高内涵方法。该方法利用IsoStretcher平台，实现了对贴壁细胞在拉伸过程中钙信号的单细胞及群体水平分析，为研究PIEZO1等通道在生理及病理过程中的作用提供了强大工具。

　　

研究背景：细胞如何“感知”力？

我们的身体无时无刻不在感受着力的作用。从心脏的每一次搏动，到血液在血管中的流动，再到骨骼承受的重力，这些机械力对于维持生命至关重要。细胞如何将这些物理信号转化为生物化学信号，即“机械转导”（Mechanotransduction），是生命科学领域一个快速发展的前沿。

2021年诺贝尔生理学或医学奖授予了Ardem Patapoutian，以表彰他发现并定义了机械敏感离子通道（Mechanosensitive Ion Channels, MSIC），特别是PIEZO1。这些通道是跨膜蛋白，能够响应机械力而打开或关闭，从而控制细胞内的离子流动，并参与众多生理过程。

然而，研究这些通道的传统方法，如膜片钳技术，虽然能提供精确数据，但操作繁琐、通量极低，一次只能研究一个细胞甚至一个通道，难以反映细胞在组织或群体中的真实行为。因此，开发能够结合高内涵成像技术、在更接近生理条件下研究细胞群体力学反应的新方法，成为了该领域的迫切需求。

研究方法：IsoStretcher平台与自动化分析流程

为了填补这一技术空白，研究人员开发了一套集成了各向同性机械拉伸与实时Ca²⁺荧光成像的高内涵分析方法。该方法的核心是IsoStretcher平台，该平台通过步进电机驱动凸轮盘，带动六个滑块径向运动，从而拉伸固定在滑块上的硅胶样品腔底部的弹性膜。这种设计能够在拉伸过程中保持相对恒定的焦平面，为活细胞成像提供了稳定的基础。

研究团队以HL-1心脏细胞为模型，利用Ca²⁺敏感荧光染料Fluo-4标记细胞。在实验过程中，他们通过显微镜实时记录细胞在拉伸前后的荧光强度变化。为了处理海量的单细胞数据，研究人员开发了一套自动化的分析流程，包括图像配准、细胞分割以及单细胞荧光强度追踪。通过对每个细胞进行归一化处理，消除了染料摄取量差异的影响，从而能够精确比较不同细胞对拉伸的相对反应。

研究结果：从单细胞到群体反应的精细解析

1. 成功实现细胞拉伸与钙信号实时监测

实验结果显示，在施加机械拉伸后，HL-1细胞的面积明显增大，证明了拉伸力成功地从设备传递到了细胞膜。同时，细胞的荧光强度显著增强，表明细胞内Ca²⁺水平在拉伸后迅速升高。这直观地证明了机械拉伸能够激活细胞内的钙信号通路。

2. 自动化分析揭示细胞反应的异质性

通过自动化图像分析，研究人员能够从数百个细胞中提取出每个细胞的荧光强度随时间变化的曲线。分析发现，细胞群体对拉伸的反应并非均一的。通过单细胞分析，研究人员能够对细胞进行亚群分类，从而更精确地统计细胞行为的变化，并区分出对拉伸和药物处理反应不同的细胞亚群。

3. 高内涵方法为药物筛选提供新平台

该方法不仅能够研究机械刺激本身，还能方便地结合药理学工具。例如，在实验过程中加入药物，可以特异性阻断或激活特定的机械敏感离子通道，从而深入研究这些通道在观察到的细胞反应中所扮演的角色。

结论与展望：迈向更真实的生理模型

本研究提出了一种基于各向同性拉伸的高内涵细胞力学反应分析方法。该方法具有三大优势：首先，拉伸系统与显微镜完美兼容，可同时观察和记录大量细胞的荧光信号；其次，通过分析大细胞群体，能够获得统计学上更可靠的数据，并识别出不同的细胞亚群；最后，该方法易于整合药理学研究，为靶向机械敏感离子通道的药物筛选提供了强大平台。

展望未来，研究人员正致力于在更真实的细胞模型中应用该技术。目前的研究多集中于贴壁或包埋在凝胶中的单细胞，而忽略了细胞间接触等重要的力学因素。因此，未来的研究将转向三维细胞结构，如球状细胞聚集体（Spheroids）和功能性“微型器官”（Organoids），以更好地模拟体内环境。

此外，为了进一步提高通量，研究人员正在开发能够同时拉伸多个腔室的设备，如MultiStretcher。该设备可同时拉伸多达八个PDMS腔室，不仅能够进行可扩展的研究，还能产生足够的样本材料用于其他分析，如Western Blotting或qPCR，从而极大地扩展了力学拉伸实验的变通性和广度。