声学全息显微技术揭示氧化应激下细胞形态与生物力学的动态变化

《Scientific Reports》：Acousto-holographic investigation of the changes in morphology and cellular biomechanics under oxidative stress

本研究针对传统细胞力学检测方法存在的局限性，开发了一种基于声学全息显微镜的无标记、非接触式活细胞成像平台。研究人员通过该技术成功实现了对氧化氢(H2O2)诱导的细胞凋亡过程中形态变化和弹性模量分布的同步监测。研究发现C2C12成肌细胞对氧化应激最为敏感，其弹性模量从7.61 kPa显著降至3.89 kPa，而HCT 116癌细胞则表现出较强的凋亡抵抗性。该研究为单细胞水平的生物力学研究提供了创新工具，对癌症和衰老相关疾病的研究具有重要意义。

　　

当细胞遭遇氧化应激时，就像一艘在暴风雨中航行的船只，其内部结构会发生剧烈变化。氧化应激是细胞代谢活动中不可避免的副产物，但过量积累会引发一系列不良反应，甚至导致细胞凋亡。这种现象与癌症、神经退行性疾病和衰老等多种疾病密切相关，因此如何在细胞水平上精确观测氧化应激的影响，成为生物医学研究的重要课题。

传统研究细胞力学性质的金标准方法是原子力显微镜(AFM)，但它存在扫描速度慢、可能损伤细胞等局限性。而观察细胞凋亡的常用方法，如DNA凝胶电泳、TUNEL标记等，要么只能半定量分析，要么需要昂贵的荧光染料，且无法实现实时监测。这些技术瓶颈促使科学家们寻找新的研究手段。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，研究人员开发了一种创新的声学全息显微镜平台，能够同时对活细胞的形态和力学性质进行无标记、高分辨率观测。该技术通过施加周期性声波信号，测量细胞膜的位移响应，进而计算细胞的弹性模量分布。

研究团队主要采用了声学全息成像技术，通过PZT压电换能器产生声学刺激，结合马赫-曾德尔干涉仪测量细胞振动响应。使用PDMS微流控室进行细胞培养，并对HUVEC、C2C12和HCT 116三种细胞系进行氧化应激处理。通过荧光染色(包括F-actin和Annexin V-FITC/PI染色)验证声学全息结果，利用COMSOL多物理场仿真计算声压常数。

声学全息研究细胞力学

研究人员通过声学全息技术成功绘制了三种细胞系在不同浓度H₂O₂处理下的弹性模量分布图。结果显示，随着氧化应激加剧，所有细胞的平均弹性模量均显著下降。特别值得注意的是，不同类型的细胞对氧化应激的响应存在明显差异：C2C12成肌细胞的弹性模量从7.61 kPa降至3.89 kPa，变化最为显著；而HCT 116癌细胞的弹性模量仅从1.08 kPa降至0.82 kPa，表现出较强的凋亡抵抗性。

氧化应激诱导的细胞骨架重组

通过F-actin荧光染色，研究证实氧化应激会导致细胞骨架的显著重组。随着H₂O₂浓度增加，肌动蛋白丝数量明显减少，这与声学全息测量的弹性模量下降结果相互印证。在1 mM和2 mM H₂O₂浓度下，两种细胞系的肌动蛋白丝均出现显著减少，说明细胞骨架的重塑是细胞刚度下降的重要原因。

氧化应激下的形态学变化和细胞凋亡

形态学观察发现，细胞在H₂O₂处理2小时后就开始出现明显变化，包括细胞肿胀、胞质内出现异质囊泡等凋亡特征。Annexin V-FITC/PI染色结果显示，随着H₂O₂浓度增加，晚期凋亡细胞比例显著上升。特别值得注意的是，细胞核与细胞体积比值随着氧化应激加剧而下降，从对照组的约30%降至10%左右，证实了细胞凋亡过程中的核固缩现象。

该研究的创新之处在于首次将声学全息技术应用于氧化应激下细胞生物力学性质的系统研究。与传统方法相比，这种技术不仅能够实现无标记、非接触的实时观测，还能同时获取细胞的形态学和力学性质信息。更重要的是，研究揭示了不同细胞类型对氧化应激的差异性响应，为理解癌细胞抗凋亡机制提供了新的视角。

研究的局限性包括空间分辨率受到光学系统和声波波长的限制，以及复杂三维培养体系中的应用挑战。然而，这种技术平台为抗癌药物和抗氧化药物的效果评估提供了新的工具，有望在癌症治疗和衰老相关疾病研究中发挥重要作用。

这项研究的意义不仅在于开发了一种新的细胞力学研究工具，更重要的是它为我们理解细胞在应激条件下的适应性变化提供了新的视角。通过将形态学变化与力学性质变化相关联，研究人员能够更全面地揭示氧化应激影响细胞功能的机制。这种多参数、实时监测的方法为未来生物医学研究提供了新的思路，特别是在个性化医疗和药物开发领域具有广阔的应用前景。