CellMAP：开源软件助力原子力显微镜批量处理细胞形貌与刚度图谱分析

为解决原子力显微镜(AFM)数据分析中单细胞处理效率低、缺乏批量统计功能的问题，Antoine Allard团队开发了开源软件CellMAP。该工具通过基底校平(Flattening)、阈值筛选(Thresholding)和峰值平滑(Peak smoothing)等创新算法，实现了细胞高度(h)、杨氏模量(E)和相对压痕(δr)等参数的批量处理，成功构建了反映群体特征的"平均细胞"模型，为细胞力学标志物研究提供了标准化分析平台。

　　

在生命科学和医学研究领域，原子力显微镜(AFM)因其纳米级分辨率和皮牛级力灵敏度，已成为研究活细胞力学特性的金标准技术。然而随着高通量AFM数据的爆发式增长，科研人员面临两大技术瓶颈：一是传统软件只能处理单细胞数据，缺乏对细胞群体的批量统计分析能力；二是AFM原始数据中存在基底倾斜、异常值干扰等技术噪声，严重影响细胞高度和刚度测量的准确性。这些问题使得寻找细胞力学标志物的研究举步维艰，特别是在癌症转移、血液疾病等需要大规模细胞力学特征分析的领域。

法国巴黎萨克雷大学(Université Paris-Saclay)的Antoine Allard和Guillaume Lamour团队在《BMC Bioinformatics》发表的研究，开发出名为CellMAP的开源分析工具。该软件通过MATLAB图形界面实现了AFM数据的自动化批处理，其创新性体现在三个方面：首创"平均细胞"建模算法，实现群体特征的直观可视化；开发多参数联合阈值筛选系统，可同步处理高度(h)、刚度(E)和相对压痕(δ_max/h_c)等参数；建立几何特征验证体系，通过模拟半球实验证实体积计算误差<10%。这些突破使CellMAP成为首个能同时处理细胞形貌和力学特性群体数据的标准化平台。

研究采用三项关键技术：1)基于快速力映射模式(QI mode)采集人类乳腺癌细胞(MDA-MB-231)的力-距离曲线；2)通过基底校平算法消除纳米级倾斜误差，采用区域兴趣(ROI)选择功能处理基底缺陷；3)开发三角形分割法计算细胞三维表面积(S_t)，验证显示512×512像素图像的计算误差仅2.3%。实验样本包括培养在纤连蛋白(fibronectin)涂层基底和微图案(micropattern)上的细胞队列。

【Flattening基底校平】

通过双重线性拟合校正基底倾斜，将0.1°倾斜导致的200 nm高度误差降至±5 nm。创新性引入ROI选择功能，有效规避基底污染物干扰，使42个细胞的高度分布标准差降低67%。

【Thresholding阈值筛选】

建立刚度(E)、高度(h)和相对压痕(δ_r)的三重过滤系统。当设置δ_r<30%阈值时，可排除98%的基底干扰信号，同时保留细胞边缘的有效力学数据。

【几何特征验证】

采用R=300 μm的模拟半球验证算法精度，结果显示在128×128分辨率下，投影面积(S_p=πR²)和体积(V=2/3πR³)的计算误差分别为3.8%和5.2%，满足生物样本分析要求。

【群体统计分析】

开发的"平均细胞"建模工具将42个微图案约束细胞的刚度分布可视化，发现Y型分支末端的平均刚度(85±12 kPa)显著高于中心区域(52±9 kPa)，揭示细胞极化的力学异质性。

这项研究创建的CellMAP软件解决了AFM数据分析中的关键痛点，其技术价值体现在三个方面：首先，批量处理功能使单细胞力学数据的处理效率提升20倍；其次，创新的"平均细胞"模型为群体比较研究提供直观工具；最后，开源特性支持模块化扩展，可兼容荧光显微镜等其他成像数据。这些突破不仅推动细胞力学图谱研究的标准化进程，更为癌症转移机制、药物筛选等研究提供了新的分析维度。研究团队已在SourceForge平台公开源代码，采用CC BY-NC-SA 4.0协议促进学术共享。