《Micron》：Touching the Cell Without Contact: A Comprehensive Review of Scanning Ion Conductance Microscopy Methodologies for Advanced Subcellular Mechanical Imaging
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T.O. Sovetnikov|A.D. Terentev|A.I. Akhmetova|I.V. Yaminsky俄罗斯莫斯科，列宁山1街2号，莫诺索夫莫斯科国立大学物理系，邮编119991摘要扫描离子电导显微镜是一种独特的技术，能够在生理条件下对活细胞进行非接触式、高分辨率的
T.O. Sovetnikov|A.D. Terentev|A.I. Akhmetova|I.V. Yaminsky
俄罗斯莫斯科，列宁山1街2号，莫诺索夫莫斯科国立大学物理系，邮编119991
摘要
扫描离子电导显微镜是一种独特的技术，能够在生理条件下对活细胞进行非接触式、高分辨率的多参数成像。最近的进展提升了SICM的功能，使其能够量化局部纳米机械特性——这些特性是调控细胞功能和状态的关键因素。细胞硬度可作为病理过程的敏感生物标志物，包括心血管疾病、肿瘤疾病以及神经退行性疾病。本综述系统比较了基于SICM的多种硬度测量方法，这些方法分别利用施加的静水压力、内在胶体作用力以及电渗流压力。对于每种方法，我们都对其原理、优势及局限性进行了分析，以便根据实验需求和可用仪器选择最合适的方法。通过细胞骨架动态、细胞迁移、生物材料与细胞的相互作用以及药物筛选等实例，本综述展示了纳米机械成像的巨大潜力，凸显出SICM在研究健康与疾病状态下细胞特性和行为方面的独特优势。
引言
机械特性对细胞功能至关重要，它影响着细胞的形态、运动能力、信号转导和分子活性（Hamill和Martinac，2001；Morris，1990），同时也决定了细胞与微环境及生物材料表面的相互作用（Ali和Schumacker，2002；Lehoux等人，2006）。由于细胞结构的固有异质性，不同亚细胞区域的这些特性存在差异，因此具有高时空分辨率的局部硬度测量显得尤为重要。亚细胞机械特性分析有助于了解细胞骨架的组织与动态、细胞内过程以及细胞与环境的交流（Narasimhan等人，2020；Parsons等人，2010）。评估机械特性还能提供有关细胞生理状态的信息，可作为早期疾病标志物，并有助于理解疾病进展机制及治疗方案。这包括炎症性疾病（Liu等人，2022；Shutova和Boehncke，2022）、心血管疾病（Miller，2017；Pesce等人，2023）、肿瘤疾病（Mierke，2014；Yu等人，2022）以及神经退行性疾病（Pillai和Franze，2024）。
在21世纪末之前，已有四种主要方法用于测定单个细胞的机械特性：微管吸液法（Hochmuth，2000）、光学镊子法（Dai和Sheetz，1995；Guck等人，2001）、基于单粒子追踪的微流变学方法（Weihs等人，2006）以及原子力显微镜法（AFM）（Dimitriadis等人，2002；Kuznetsova等人，2007；Li等人，2017）。
其中，AFM因其在三维可视化及纳米机械特性研究中的广泛应用而最为常见。历史上，它是唯一一种能够同时实现地形成像和硬度测量的技术。后来又发展出了多种基于AFM的生物力学特性测量方法，包括力映射模式（Efremov等人，2017；Radmacher等人，1996）、力调制模式（H. Haga等人，2000；Sasaki等人，1998）以及多谐波敲击模式（Raman等人，2011）。然而，由于AFM测量属于接触式检测，这些模式都需要探针与样本之间直接接触。这就带来了探针污染风险（如细胞膜粘附）（Sen等人，2005）、过度机械应力（Schaus和Henderson，1997），甚至可能造成细胞损伤（Schneider等人，2000），从而影响重复实验或长期研究的进行。此外，在AFM中确定探针与柔软细胞表面的确切接触点也颇具挑战性（Crick和Yin，2007）。为准确考虑探针与表面的接触几何结构，人们通常使用直径为1–30微米的球形尖端悬臂梁。不过，这种方法会显著降低横向分辨率，且需要复杂的 数据解析模型。这些模型从描述半球形探针与弹性表面相互作用的经典赫兹理论（Hertz，1882）和杰尔贾金理论（Derjaguin等人，1975），发展到考虑黏弹性特性（Efremov等人，2020；Efremov等人，2017）、细胞糖萼结构（Kolesov等人，2023；Sokolov等人，2013）、粘附作用（Efremov等人，2015）、探针几何结构（Gavara和Chadwick，2012；Zem?a等人，2020）、基底硬度（Ding等人，2017；Garcia和Garcia，2018）以及其他因素的现代数值和分析方法（Li等人，2017；Savin等人，2023a）。
为克服这些局限性，人们开发了多种基于扫描离子电导显微镜的技术来测定活细胞的局部硬度。SICM是一种强大的非侵入式技术（Hansma等人，1989），能够在细胞的天然生理环境中对其进行分析（Korchev等人，1997）。此外，它还能最大程度减少扫描过程中细胞变形和受损的风险（Novak等人，2009；Zhu等人，2021）。相比以往的方法，SICM的非接触特性具有明显优势（Gorelik等人，2003；Rheinlaender等人，2011；Shevchuk等人，2006）。
目前，SICM不仅用于单个细胞的研究，还应用于二维细胞单层以及类器官和组织等三维系统的研究（Wang等人，2023；Utagawa等人，2022；Akhmetova等人，2025）。该技术还具有测定局部表面电荷（McKelvey等人，2014）和pH值（Actis等人，2014）、进行化学分析（Zhang等人，2016），以及实现纳米颗粒（Hengsteler等人，2021；Momotenko等人，2016）、分子（Bruckbauer等人，2002；Ivanov等人，2015）和液体（O’Connell等人，2014；Rodolfa等人，2006）的局部电化学递送等功能。此外，SICM还能与扫描电化学显微镜（SECM）（Takahashi等人，2010；Morris等人，2012；Page等人，2017）、共聚焦荧光显微镜和斜面荧光显微镜（Shevchuk等人，2008；Hong等人，2026）、牵引力显微镜（Rheinlaender等人，2021）以及超分辨率技术（S?nderskov等人，2025）等互补的分析和成像技术无缝结合。
本综述全面介绍了基于SICM的各类用于测定活细胞机械特性的方法。对于每种技术，我们都分析了其优势、局限性以及关键实施要点。同时，还对这些方法进行了比较，并总结了它们所能带来的重要研究发现。这些研究进一步表明，细胞机械特性越来越被视为细胞功能的关键因素，而SICM则逐渐成为研究这些特性的有力工具。
章节节选
SICM机械成像的原理
SICM中所使用的探针是由硼硅玻璃或石英管通过激光或较少见的热拉制法拉丝制成的玻璃纳米管（Chowdhury，1969；Takahashi等人，2023）。所得纳米管开口的内半径通常在几十到几百纳米之间，属于纳米级别（Takahashi等人，2023），而半锥角一般则在3–5°左右（Rheinlaender和Sch?ffer，2013；Takahashi等人，2023）。
为了进行
施加静水压力下的测量
在定量硬度测绘技术正式确立之前，21世纪初的SICM研究就已经展现了该技术通过长期非侵入式监测来分析活细胞机械微环境的独特能力。早期的研究实现了对细胞体积、高度变化以及表面动态重塑的实时跟踪（Korchev等人，2000；Shevchuk等人，2001；Gorelik等人，2004a）。这些研究需要对相关参数进行精确表征
各种方法的适用性比较
所讨论的各种方法不仅在基本物理原理和实验实现方式上存在差异，其优势与局限性也各不相同。表1汇总了这些方法的对比情况。
那些采用外部静水压力的方法（Mario Pellegrino等人，2012；Rheinlaender和Sch?ffer，2013；Sánchez等人，2008）能够精确控制施加的压力，从而准确测定绝对杨氏模量值，前提是
应用场景与主要发现
大量研究都证明了各种方法的实际应用价值与重要性（见表2）。这些方法的应用频率在一定程度上反映了它们的信息量大小以及实施难度。
Pellegrino等人将其方法用于测定低应力条件（数十到数百皮牛顿）下活红细胞的机械特性，结果发现，随着施加力从20皮牛顿增加到500皮牛顿，细胞的杨氏模量从0.2千帕上升到了1.5千帕（Tognoni等人
结论与展望
基于SICM的纳米机械特性分析技术已经取得了显著发展，从最初依赖外部压力的双通道测量方法，发展到如今运用胶体排斥力、基于模型的校准以及电渗流技术的先进方法。所有这些技术进步不仅提升了测量的精度，还进一步确立了这样一种观点：细胞力学并非细胞活动的副产品，而是调控细胞功能的重要因素。
未引用参考文献
（Haga等人，2000；Kolmogorov等人，2023；Papa等人，无日期；Pellegrino等人，2012）
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究是在莫诺索夫莫斯科国立大学的任务支持下完成的。T.O. Sovetnikov还感谢Basis基金会的支持（编号24-2-10-9-1）。
