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为探究细胞粘弹性丧失机制，研究人员用双光束光镊拉伸红细胞，发现其刚度变化等，助力理解细胞力学。
在生命的微观世界里，细胞就像一个个精密的小机器，它们的机械特性对许多生物过程起着至关重要的作用。想象一下，细胞们忙着爬行、增殖、伸展、收缩、分裂，还有经历程序性死亡，这些过程都离不开它们特殊的机械性能。然而，当细胞的粘弹性出现问题时，就像机器零件出了故障，各种疾病也随之而来，比如癌症、镰状细胞病、疟疾和糖尿病。
为了搞清楚细胞粘弹性丧失背后的秘密，科学家们一直致力于研究不同细胞在受到压力或应变时的机械反应。在众多细胞中，红细胞（Red Blood Cells，RBCs）因其结构相对简单，成为了研究的热门对象。红细胞肩负着为身体运输氧气的重任，它们平均直径约 8μm，在大约 120 天的生命周期里，要在身体里循环近 50 万次。在这个过程中，它们需要通过直径小于自身的毛细血管，这就多亏了其独特的粘弹性，能让它们在不失去功能的前提下发生变形。但随着生命周期接近尾声，经历了无数次拉伸 - 松弛循环后，它们逐渐失去了这种变形能力。
细胞的细胞膜就像一个复杂的蛋白质宝库，包含大约 20 种主要蛋白质和至少 850 种次要蛋白质。细胞膜主要由外侧的脂质双层和内侧的二维肌动蛋白 - 血影蛋白网络（即细胞骨架，Cytoskeleton，CSK）组成。细胞骨架中的蛋白质网络结构会产生一种预存的拉伸应力，叫做预应力。这种预应力和细胞内起到压缩作用的微管共同维持着细胞的张力平衡，也就是张力完整性（Tensegrity）。
目前，虽然已经有一些关于细胞力学的研究，但仍存在不少问题。以往验证细胞骨架力学普遍规律的研究，大多通过磁扭细胞术（Magnetic Twisting Cytometry，MTC）和原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）进行，这些方法只能使细胞的小部分发生变形，无法对整个细胞进行研究。为了更全面地了解细胞力学，来自博阿齐奇大学（Bo?azi?i University）等机构的研究人员开展了一项新研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。
研究人员为了测试细胞骨架力学的普遍规律，即拉伸改变细胞刚度和细胞流变学是无标度的，使用双光束光镊对 34 个人类红细胞进行重复拉伸实验，且无需使用微珠。在实验过程中，研究人员从 3 名健康女性和 5 名健康男性中采集血液样本。将全血与磷酸盐缓冲盐水（PBS）和牛血清白蛋白（BSA）混合制备样本，然后在室温下用商用光镊（Zeiss PALM Micro Tweezers）进行实验。光镊的激光波长为 1064nm，激光功率为 800mW，通过特定物镜后，每个激光陷阱在样本后焦平面的功率为 200mW。实验时，一个陷阱以 10μm/s 的速度移动 5s，另一个固定，对单个红细胞重复进行 20 次拉伸实验。利用自编的 MATLAB 代码分析细胞在拉伸过程中的轴向直径，计算变形指数（DI）、刚度（Gn′）、永久变形（h）和逃逸速度（uesc）等参数。
研究结果表明：
- 细胞刚度变化：随着拉伸 - 松弛循环次数的增加，红细胞变得越来越硬。平均初始长度（Lˉi）和平均最大拉伸细胞长度（Lˉmax）随着拉伸次数的增加几乎收敛到同一点，细胞的平均变形指数（D）与拉伸次数呈线性负相关。通过对刚度（Gn′）数据的指数拟合，得到指数为 0.07，与前人研究结果相符。
- 应力松弛特性：从细胞拉伸和恢复过程的数据来看，随着拉伸 - 松弛循环次数从第 1 次增加到第 20 次，最大细胞长度逐渐减小，表明细胞变硬。对第 1 次、第 10 次和第 20 次拉伸的平均松弛数据进行指数拟合，计算出的衰减时间（τ）逐渐增加。对不同拉伸次数的衰减时间数据进行线性拟合，发现细胞的衰减时间随着拉伸次数的增加从快速状态过渡到慢速状态。
- 细胞行为特征：通过定义的滞后率（h）评估细胞的固态和液态行为，发现红细胞的hˉ值均低于 1，表现出固态行为。红细胞从移动陷阱的逃逸速度（uesc）随着拉伸循环次数的增加而减小，且呈非线性模式，这可能意味着细胞对施加力的响应滞后或从快速状态过渡到慢速状态。
- 细胞形态改变：重复拉伸导致红细胞膜形态发生变化，未拉伸细胞的膜光滑，而拉伸后的细胞膜出现深色区域，可能是蛋白质损伤或肌动蛋白 / 血影蛋白积累的迹象。部分细胞还会发生极端的形状变化和伸长，这可能与细胞骨架中的空隙有关。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，他们利用光镊技术观察到红细胞拉伸相关的细胞刚度呈指数行为，并通过重复拉伸展示了细胞骨架从快速到慢速状态的转变。这一发现与以往使用不同技术的研究结果一致，为我们在单细胞水平和整个细胞层面理解细胞力学提供了更完整的信息。该研究不仅有助于深入了解细胞的生理和病理过程，还可能为相关疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法，在生命科学和健康医学领域具有重要的意义。
