《Current Opinion in Structural Biology》：Single-cell mechanodynamics: Probing cellular function through nanomotion and intracellular mechanics
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活细胞持续消耗能量以维持其结构、力学和功能。依赖能量的纳米级力学波动，称为纳米运动，为这种活性提供了无标签的物理读数。当被解释为细胞活性的动态特征时，这些波动构成了单细胞机械动力学的基础。在本综述中，我们探讨了如何测量和解释生物分子、细胞器和细胞尺度上的此类波动。我们讨论了已
活细胞持续消耗能量以维持其结构、力学和功能。依赖能量的纳米级力学波动，称为纳米运动，为这种活性提供了无标签的物理读数。当被解释为细胞活性的动态特征时，这些波动构成了单细胞机械动力学的基础。在本综述中，我们探讨了如何测量和解释生物分子、细胞器和细胞尺度上的此类波动。我们讨论了已建立的机械动力学传感模式，包括原子力显微镜（AFM）悬臂梁传感和光学纳米运动检测（ONMD），以及互补方法和 AFM 纳米内窥术，后者提供了对细胞内力学特性的直接访问，并为未来的细胞器级机械动力学测量奠定了实验基础。我们考虑了机械动力学读数在抗菌药物敏感性试验（AST）、机械生物学、功能表型分型、疾病生理学和生命检测中的应用。总的来说，这些进展支持单细胞机械动力学作为一个新兴框架，用于联系结构、力学、代谢、扰动响应和细胞功能。
引言
单细胞生物学通过转录组学、蛋白质组学和高清晰度成像改变了我们对细胞异质性的理解，而结构生物学技术如 X 射线晶体学和冷冻电子显微镜则以前所未有的空间分辨率揭示了分子组织。这些方法共同以前所未有的细节揭示了细胞的分子组成和架构 [1,2]。然而，活细胞持续经历主动的非平衡过程，这使得难以将离散时间点获取的分子和结构观察结果与其动态细胞活性完全关联 [3,4]。解决这一挑战需要互补的方法，在探测分子组织的同时直接探测活细胞的功能活性。
活细胞成像和力学探测技术，包括时间序列显微镜、牵引力显微镜、布里渊显微镜和原子力显微镜等方法，通过使动态的分子、细胞和力学过程可视化并量化，极大地扩展了我们对细胞动力学的理解 [5,6]。然而，大多数这些方法旨在追踪特定的分子、结构、生物事件或力学特性，仅对细胞功能的特定方面提供详细的见解。
纳米运动测量最近作为一种探测活细胞整合活性的有前景的方法出现 [7,8]。它们追踪反映众多依赖能量的分子和亚细胞过程协调活动的整个细胞的纳米级力学波动。这些过程本身可以产生纳米级力学波动，共同贡献于整体细胞活性的整合、无标签物理读数。已经开发了多种方法测量这些波动，其中原子力显微镜（AFM）悬臂梁传感和光学纳米运动检测（ONMD）目前具有最广泛的生物学和转化验证，因此在此处进行了最广泛的讨论。除了测量这些波动外，关键的挑战是将其解释为与细胞结构和功能相关的关系。因此，我们提出单细胞机械动力学作为一个框架，将纳米力学波动与结构、分子、代谢、生理学和药理学读数联系起来（见图 1）。这一框架可能有助于揭示细胞架构、代谢和药理学扰动如何塑造活细胞中的动态功能状态。
章节片段
细胞纳米运动的生物物理基础
细胞纳米运动在此指由活细胞通过依赖能量的生物活动产生的纳米级力学波动 [4,7,8]。“纳米”一词描述的是测量位移的量级，而不是产生该位移的结构大小。例如，携带微米级鞭毛的细菌由于鞭毛马达活动而表现出纳米级力学波动 [9]。产生这些波动的生物学过程
单细胞机械动力学测量技术
本综述审查的技术通过不同的物理可观测量和实验配置检测自发的、依赖能量的纳米级力学波动，利用这些信号作为细胞功能的无标签、时间分辨读数。我们还介绍了用于机械动力学表型分型的微流控和机器学习（ML）工具，以及作为通向细胞内机械动力学新兴途径的 AFM 纳米内窥术。
机械动力学表型的生物学起源
机械动力学测量开始提供关于机械动力学表型起源的生物学见解。我们提出这些表型源于多种生物学过程在生物分子、细胞器、细胞和细胞外尺度上的整合活动（表 1），尽管它们的相对贡献可能取决于生物系统和实验环境。
以下部分更详细地讨论了这些贡献者中的几个，并且
在微生理系统中整合机械生物学和机械动力学
机械生物学已经确立了细胞如何通过机械转导通路在多种组织中感知和响应细胞外机械线索 [55]。相比之下，机械动力学测量量化由活细胞产生的自发的、依赖能量的纳米力学波动。整合这些方法将使我们能够在同一活系统内将细胞外机械线索与自生的细胞内活性联系起来。
所需的实验组件
用于抗菌药物敏感性试验的机械动力学
快速表型 AST 正日益从群体水平生长测量转向单个细胞的功能表征（图 1e）。这一转变推动了互补的单细胞技术的发展，这些技术量化对抗微生物暴露的不同反应，包括测量单细胞浮力质量和生长动力学的悬浮微通道谐振器（SMRs）[58, 59, 60]，以及检测细菌机械反应的微流控悬臂梁传感器 [<
哺乳动物细胞生理和疾病中的机械动力学
除了其已建立的微生物和诊断应用外，机械动力学测量开始扩展到哺乳动物单细胞生理和疾病领域。单细胞纳米运动检测实时检测了人类神经母细胞瘤细胞中的 α-突触核蛋白淀粉样细胞毒性，突显了其在调查神经退行性疾病中的潜力 [76]。基于 AFM 悬臂梁的纳米运动测量同样捕获了动态免疫细胞功能，人类中性粒细胞表现出
展望：作为未来整合框架的机械动力学
机械动力学测量正推动单细胞生物学超越静态分子谱系迈向动态功能状态。然而，实现单细胞机械动力学的完整整合潜力需要几个关键步骤。首先，纳米运动指标必须跨实验模式标准化，并且需要强大的 ML 工具进行机械动力学表型分型 [43,44]。其次，与成像、结构生物学、单细胞组学和代谢读数的更深入整合将
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利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系，这些可能被视为潜在的利益冲突：合著者 Sandor Kasas 也是本特刊的客座编辑。如果有其他作者，他们声明没有已知的潜在竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文报告的工作。
致谢
本研究由比利时联邦科学政策办公室（Belspo）和欧洲航天局 (ESA)资助，项目编号 PRODEX Flumias Nanomotion; FWO, 项目编号 I002620; FWO-SNSF 项目编号 G068121N-310030L_197946; Weave FWO-SNSF G0AEG26N - CR00-5L-239852; SK 由瑞士国家科学基金会（SNSF)资助，项目号 CRSII5_173863。
Ronnie G. Willaert|Charlotte Yvanoff|Sandor Kasas
布鲁塞尔结构生物学研究组 (SBB), 联盟研究组 VUB–UGent 纳米微生物学 (NAMI), 布鲁塞尔自由大学 (VUB), 比利时布鲁塞尔 1050
