综述：三维牵引技术及其在机械医学中的应用

这篇综述系统总结了细胞牵引力测量技术从2D到3D的演进历程，重点介绍了牵引力显微镜（TFM）、DNA分子探针、油滴传感器等技术的原理与应用，并探讨其在机械医学（mechanomedicine）中的诊断和治疗潜力，为理解力学生物学（mechanobiology）在生理和疾病中的作用提供了方法论支撑。

　　

三维牵引技术及其在机械医学中的应用

摘要

活细胞产生的内源性力对细胞和组织的生物学过程至关重要。过去几十年，多种牵引力检测技术被开发，从二维平面扩展到三维微环境，甚至活体组织。这些技术为揭示机械力如何调控生理和疾病进程提供了关键工具，并推动了机械医学（mechanomedicine）的发展——即利用力学生物学原理在分子、细胞和组织层面诊断和治疗疾病。

1. 引言

机械力在发育、生理和疾病中起核心作用。例如，果蝇胚胎中的各向异性力驱动组织伸长，干细胞分化受力学信号调控，而肿瘤进展也与微环境力学变化密切相关。量化细胞机械力的需求催生了多种测量技术，包括经典的二维牵引力显微镜（2D TFM）和新兴的三维活体传感器。

2. 二维牵引力量化

2.1 二维牵引力显微镜（TFM）
早期通过硅橡胶基底的褶皱观察细胞牵引力，但光学不透明性限制了应用。聚丙烯酰胺（PA）水凝胶的引入解决了这一问题，其透明性和可调刚度使其成为TFM的理想基底。通过荧光纳米珠位移和傅里叶变换反推应力场，TFM可解析细胞黏附斑（focal adhesion）的力分布。但传统TFM无法捕捉Z轴力，因此发展出2.5D TFM，结合线性偏振调制（LPM）技术，可同时测量剪切力和旋转力。

2.2 DNA分子力探针
对于皮牛（pN）级分子间力，DNA探针展现出独特优势。张力门控探针（TGT）和分子张力荧光显微镜（MTFM）通过DNA发卡结构展开触发荧光，实时监测整合素-配体（~40 pN）和Notch受体（<12 pN）的力动态。量子增强的金刚石张力显微镜（QDMTM）进一步将灵敏度提升至单分子水平，但尚无法量化力的方向。

3. 三维牵引力量化

3.1 三维TFM
通过追踪3D基质中荧光珠位移，结合线性或非线性弹性理论，可重构细胞在胶原凝胶等复杂环境中的应力场。半仿射连续介质模型能解析胶原纤维的非线性响应，揭示乳腺癌细胞迁移时收缩力与形态可塑性的关联。光学相干断层扫描（TF-OCM）等无标记技术则适用于肿瘤球等高密度样本。

3.2 活体三维力传感器
油滴探针利用表面变形量化胚胎组织的各向异性应力，但无法检测静水压。
弹性微球如聚丙烯酰胺（PAA）或海藻酸盐凝胶，通过体积变化反映各向同性应力，灵敏度达10 Pa。
磁性微机器人整合铂钴合金与光降解水凝胶，可交替测量组织刚度（旋转响应）和牵引力（UV软化后变形）。
FRET传感器通过荧光共振能量转移监测黏着斑蛋白（如纽蛋白vinculin）的纳米级张力，但受限于~10 nm的有效距离。

4. 机械医学应用

4.1 疾病诊疗
肿瘤机械异质性（如固体应力）是化疗抵抗的关键因素。重组透明质酸酶通过降解细胞外基质缓解血管压迫，增强药物递送。牵引力技术还可量化心肌细胞收缩异常，助力心脏病机制研究。

4.2 免疫细胞力学
T细胞受体（TCR）通过pN级力触发抗原识别，而细胞毒性T细胞（CTL）在免疫突触中施加nN级杀伤力。抑制机械传感器PIEZO1或肌球蛋白II可增强T细胞牵引力，提升抗肿瘤效果。DNA折纸张力传感器（DOTS）揭示了TCR-pMHC相互作用的动态构象变化。

5. 结论

现有技术各具特色：2D TFM分辨率高，3D传感器更贴近生理环境，而活体探针如磁性微机器人实现了刚度与力的同步测量。人工智能（AI）正推动探针设计的革新，如亚5 nm定位精度的氮空位金刚石探针。未来需突破时空分辨率限制，推动机械医学的临床转化。