利用原子力显微镜解析海鞘胚胎卵裂期单细胞流变学特性及其细胞周期调控机制

【编辑推荐】研究团队通过应力松弛AFM和力曲线AFM技术，首次系统揭示了海鞘胚胎卵裂期动物极单细胞的幂律流变学特性，发现细胞刚度（modulus）与流动性（power-law exponent）在细胞周期中呈负相关，并鉴定出三种流变状态，为理解胚胎发育的物理机制提供了新视角。

　　

在生命最初的舞台上，胚胎细胞如同精密编排的芭蕾舞者，以高度同步化的分裂演绎着发育的奇迹。然而，这些细胞的力学特性如何动态变化以支撑其形态发生？这一问题的答案长期隐藏在微观世界的迷雾中。既往研究虽通过原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）发现海鞘胚胎卵裂期细胞存在刚度振荡现象，但作为粘弹性材料，其流变学特性在细胞周期中的演变规律仍属未知。这一知识缺口阻碍了人们对胚胎发育物理机制的完整认知。

为破解这一难题，研究人员聚焦海鞘胚胎卵裂期动物极单细胞，采用应力松弛AFM和力曲线AFM双技术联用策略。通过采集来自胚胎动物极的活体细胞样本，团队首次系统绘制了发育细胞的动态力学图谱。研究发现：

幂律流变学的保守性
胚胎细胞展现出与体外单细胞相似的幂律流变行为（G(t) ~ t^-β），证实生物软物质力学规律的普适性。

细胞周期依赖性调控
刚度（modulus）与流动性（β指数）呈现显著负相关：随着细胞分裂临近，刚度增加而流动性降低，形成三种特征性流变状态——这一发现被形象地称为"力学相变"。

细胞互作的力学协调
尽管存在细胞间相互作用，胚胎细胞的刚度-流动性关系仍能坍缩到单一主曲线，暗示多细胞体系通过某种物理机制维持力学稳态。

这项发表于《Biophysical Journal》的研究具有双重突破意义：技术上，建立了活体胚胎单细胞动态力学测量范式；理论上，揭示了细胞周期依赖的流变学重编程规律，为组织形态发生的生物物理学研究提供了定量框架。尤其值得注意的是，研究首次在体内证实单细胞幂律流变模型（power-law rheology）的适用性，这一发现或将改写胚胎力学的理论基础。

关键技术方法包括：1）应力松弛AFM（stress-relaxation AFM）定量细胞粘弹性参数；2）力曲线AFM（force-curve AFM）测量瞬时弹性响应；3）对动物半球活体胚胎进行原位纳米力学检测。

研究结论部分强调，胚胎细胞通过精确调控刚度-流动性平衡来适应分裂需求，这种力学协调性可能源于细胞骨架的动态重组。讨论指出，该发现为理解器官发生异常（如先天性畸形）提供了新的力学视角，未来或可通过干预细胞流变特性调控发育进程。