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在生物研究中，三维细胞外基质（ECM）内的机械应力对生理和病理过程影响重大，但量化这些应力颇具挑战。研究人员开展了以定量偏振显微镜（QPOL）量化 3D 基质应力的研究，发现其与相关机械参数有强相关性，为 3D 应力量化提供新方法。
在生命的微观世界里，细胞外基质（ECM）如同一个神秘的舞台，其中的三维机械应力在众多生理和病理过程中扮演着关键角色，像胚胎发育、血管生成以及肿瘤细胞转移等。然而，这个舞台的 “幕后运作” 却很难被精准洞悉。由于纤维基质具有高度非线性和异质性，想要量化这些三维机械应力，就如同在错综复杂的迷宫中寻找出口，困难重重。传统的量化方法，如 3D 牵引力显微镜（TFM）、微柱装置和基于微粒的力传感器等，虽然各有优势，但也都存在明显的缺陷。比如 3D TFM 需要复杂的算法和容易出错的本构模型，还可能因细胞与珠子的相互作用影响测量结果；微制造传感器会影响细胞牵引力，基于微粒的方法则面临测量限制和光散射等问题。在这样的困境下，科研人员迫切需要一种更有效的工具，来揭开三维机械应力的神秘面纱，这也为此次研究提供了契机。
来自国外研究机构的研究人员积极探索，开展了关于定量偏振显微镜（QPOL）能否用于量化三维基质内机械应力的研究。他们最终得出结论：QPOL 能够有效评估胶原水凝胶内的机械应力分布，其光学延迟与外力、最大剪切应力等力相关参数之间存在很强的相关性。这一成果意义非凡，为在非线性异质基质中高分辨率量化机械应力提供了全新的方法，有望推动生命科学和医学领域的相关研究。该研究成果发表在《Acta Biomaterialia》上。
研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。他们制备了 PDMS 悬臂梁和胶原水凝胶，通过 QPOL 成像和图像处理获取延迟信号。利用有限元模型（FE）模拟胶原水凝胶受力情况，进行细胞培养并构建细胞球模型。在数据处理和分析上，使用特定的软件进行统计分析。
下面来看具体的研究结果：
- 延迟测量模式：研究人员从宏观和微观两个尺度研究延迟的空间变化。宏观上，获取感兴趣区域（ROI）的平均延迟值研究其变化；微观上，分析 ROI 内延迟在水平和垂直方向的变化。通过实验发现，延迟信号的变化与预期的应力分布模式相符。
- 延迟信号与外力的关系：运用悬臂梁系统对胶原施加不同外力，研究发现胶原凝胶开放端附近区域的平均延迟值与悬臂梁施加的力呈正相关。用糖化胶原凝胶进行实验时，发现平均延迟值与胶原刚度呈负相关，这进一步证实了应力与延迟信号的紧密联系。
- 延迟与最大剪切应力的相关性：对比实验测量的延迟信号和有限元模型计算的最大剪切应力分布，发现二者在空间上高度相关。无论是完整样本还是有部分脱离情况的样本，延迟和最大剪切应力的分布模式都很相似，这表明 QPOL 有潜力量化非线性异质基质内的局部机械应力。
- 延迟图反映细胞产生的应力：将不同细胞系的细胞球嵌入三维胶原，利用 QPOL 测量应力诱导的延迟信号。结果显示，QPOL 能可视化细胞球和单个细胞附近的机械应力并计算力的大小，还能捕捉细胞力受抑制时的动态变化，证明了其在量化非线性三维基质中机械应力的有效性。
在研究结论和讨论部分，研究人员成功验证了 QPOL 在量化三维胶原内机械应力方面的可行性。与传统方法相比，QPOL 无需基质材料模型，具有非侵入性、无需外源性探针、计算量小等优势。不过，该方法也存在一些局限性，比如将延迟信号转换为应力值的过程较为复杂，受样本厚度和应力 - 光学系数影响较大；依赖明场照明导致信息耦合，限制了力转换的精度；在分析最大剪切应力方向和获取 Z 轴信息方面也存在不足。尽管如此，QPOL 依然为研究细胞与细胞外基质之间的力学相互作用提供了重要的手段，在生命科学和医学研究领域有着广阔的应用前景，有望为深入理解生理和病理过程提供关键支持，推动相关疾病的研究和治疗发展。
