當最好的工具不能勝任這項工作時，工程師會找出方法來構建新工具。特拉華大學生物醫學工程學助理教授約翰·斯萊特(John Slater)就是采用了一種稱為牽引力顯微鏡(TFM)的技術，科學家，工程師和生物物理學家通常使用這種技術來測量細胞在周圍環境中產生的力。

今年早些時候，Slater，生物醫學工程學博士生Omar Banda和特拉華生物技術研究所生物成像中心副科學家Chandran R. Sabanayagam 在ACS Applied Materials&Interfaces雜志上描述了他們如何開發新的無參考TFM平臺，使研究人員能夠使用在更少的時間內完成更多的測量。

此外，Slater和Banda編寫了分步協議，概述了如何使用兩次光子激光掃描光刻制造新的TFM平臺以及如何實施他們開發的用于獲取高通量細胞測量的軟件，該協議已于10月在可視化實驗雜志。

斯萊特說：“這是解決長期存在問題的一種非常優雅的工程解決方案。”

牽引力顯微鏡

人體包含約37萬億個細胞。在每個組織中，細胞通過細胞外基質(一個包含水，蛋白質和酶的分子網絡)支撐在一起，以支持細胞。

斯萊特說：“單個細胞具有肌動蛋白應激纖維，當這些纖維收縮時，細胞就會拉動基質。” “它在基質上的拉力-它產生的總力 -確實會影響其行為。” 這種細胞與環境的相互作用在調節細胞命運方面起著重要作用，并使細胞能夠感知并反應其局部環境的物理特性。

UD研究小組通過跟蹤這些熒光標記物的運動來測量每個細胞產生的力。圖片來源：特拉華大學

斯萊特研究細胞如何與周圍環境相互作用，特別關注物理相互作用如何影響細胞行為，并且像該領域的許多科學家一樣，他也依賴TFM。在傳統的TFM中，熒光納米球被添加到柔性水凝膠中。當細胞附著到凝膠表面并拉動凝膠表面時，用戶會拍攝圖像以顯示細胞的受力狀態。然后，去除或放松細胞，并拍攝第二張圖像。通過測量熒光顆粒在兩個圖像之間移動了多遠，用戶可以計算出細胞產生的應力和作用力。

傳統的TFM有一些缺點。吞吐率相當低，通常僅允許在合理的時間內測量少數細胞，并且通常必須破壞或移除所測量的細胞以產生無細胞的參考圖像，以進行應變測量和測力計算。

Slater決定構建更好的，無損的東西，并適合更高通量的測試。他說，該團隊開發了一種在內置零應力狀態下執行TFM的方法，因此您不必在沒有細胞的情況下收集參考圖像。為此，他們使用圖像引導的雙光子激光掃描光刻技術將熒光標記物置于凝膠內的高度規則的三維陣列中。

斯萊特說：“采用傳統的方法，您只需將球體放入其中，就無法控制它們的位置。它們無處不在。” “這就是為什么您必須刪除或放松細胞以獲得零應力狀態的原因。對于我們來說，我們確切地知道標記的位置，因此即使在受到壓力的情況下，我們也知道其原始非受力位置在哪里，因為這樣常規數組。”

這樣可以進行更高通量的測量。例如，該團隊最近在很短的時間內測量了60多個單元產生的力。

他說：“我們的目標是將其與免疫熒光等其他檢測方法相結合，因為這些細胞無需去除或放松。” “我們正在使用它來了解細胞產生的力在調節細胞命運中所起的作用，重點是干細胞分化，癌細胞行為和血管功能。”

在2018年，Slater因這一研究領域而獲得了生物醫學工程學會細胞與分子生物工程特別興趣小組授予的新星獎。