近日，北京大学生命科学学院覃思颖研究团队与清砥量子科学仪器（北京）有限公司合作，在国内核心期刊《生物化学与生物物理进展》发表题为《基于流体力显微镜的单细胞贴壁黏附动力学研究》的研究论文。本研究依托多功能单细胞显微操作系统FluidFM OMNIUM，建立一套无需探针化学修饰、可长时程无损监测活细胞的单细胞黏附定量检测体系，突破传统单细胞力学表征技术的固有局限，完整追踪40小时细胞贴壁全过程，定量解析高分化上皮细胞与低分化工程细胞的黏附动力学差异，从力学层面揭示细胞分化调控黏附行为的内在规律，为细胞生物力学、生物材料评测、靶向药物筛选提供标准化定量实验方案。

图1. 多功能单细胞显微操作系统- FluidFM OMNIUM

研究背景： 单细胞黏附力学检测面临技术瓶颈

细胞黏附是细胞增殖、迁移、肿瘤转移、胚胎发育的核心基础，定量解析单细胞黏附力学，是揭示生命力学调控机制的关键。目前主流检测手段各有优劣：

• 群体检测法（漂洗/离心/转盘法）：仅能统计细胞群体，无法观测单细胞，机械力易损伤活细胞；
• 经典原子力显微镜单细胞力谱（AFM-SCFS）
• 需对探针做复杂化学修饰固定活细胞，操作耗时数小时；
• 易改变细胞生理活性、检测通量低；
• 力学量程有限，强黏附细胞测试时易脱落。

FluidFM技术融合了AFM + 微流控中空探针，依靠负压吸附、正压释放活细胞，无需化学修饰探针：

• 探针制备从数小时缩短至几分钟，可重复使用；
• 非损伤捕获活细胞，保留原生生理状态；
• 力学量程覆盖百 nN~μN，适配长时程、高黏附细胞检测。

图2. FluidFM单细胞黏附测量原理示意图

实验设计：时程单细胞黏附多参数定量表征

本研究选取两种表型差异显著的细胞模型：

• hTERT RPE-1：人视网膜色素上皮细胞，上皮表型、分化程度高、贴壁紧密、极化明显；
• HEK 293T：人胚肾细胞，低分化、类成纤维细胞、贴壁偏弱，病毒包装常用工程细胞。

核心检测方案

• 细胞接种后连续 40h 长时程监测，覆盖完整贴壁成熟周期；
• FluidFM 细胞 - 基底分离实验，采集力 - 距离曲线，提取 3 大力学指标：
• 黏附力\(F_{adh}\)：细胞脱离基底最大拉力（单位 nN）
• 黏附能\(E_{adh}\)：剥离细胞所需总能量（单位 pJ）
• 最大脱附距离\(D_{max}\)：细胞拉伸脱离基底垂直距离（单位 μm）
• ImageJ 量化细胞铺展面积\(A_{cell}\)，做面积归一化，对比单位面积黏附效率；
• 总计检测626个单细胞（HEK293T：352个；RPE-1：274个），3 批独立重复验证。

图3. 两种细胞典型力-距离曲线

核心实验结果： 分化状态决定细胞黏附动力学模式

1. 整体黏附强度与成熟速度差距显著

关键结论：RPE-1 铺展、黏附能力全面更强，贴壁锚定效率远高于 HEK293T。

图4. 40h黏附参数动态变化曲线

2. 单位面积归一化：

为消除细胞大小干扰，将力学参数除以铺展面积对比单位面积性能：

• hTERT RPE-1：0.75~1h单位面积黏附力 / 黏附能达峰值，峰值黏附力\(0.56\ \mathrm{nN/μm^2}\)；随后随铺展扩大逐步下降；
• HEK 293T：4h 才抵达单位面积峰值，峰值仅\(0.13\ \mathrm{nN/μm^2}\)，全程数值稳定无大幅回落；
• 峰值对比：RPE-1 单位面积黏附力是 HEK293T 的4.3倍，单位面积黏附能达7.7倍。

两种细胞黏附策略完全分化：

• RPE-1：早期快速强锚定，后期动态下调单位黏附强度，适配上皮极化生长；
• HEK293T：渐进式稳定黏附，依靠时间累积缓慢提升整体黏附。

图5. 单位面积黏附参数动态变化

3. 参数相关性：

• 两种细胞黏附力\(F_{adh}\)与铺展面积\(A_{cell}\)相关性均极弱（R≈0.4）；
• RPE-1 贴壁中期出现典型现象：铺展面积持续变大，但总黏附力不再上升 ——黏附饱和效应；
• HEK293T 黏附力、黏附能、脱附距离线性相关性更强（R≈0.86），力学变化同步；RPE-1 数据离散度更高，力学调控更复杂。

归一化后相关性变化：面积校正后 RPE-1 单位参数相关性明显提升，证明细胞尺寸会掩盖真实黏附分子作用差异。

图6. 黏附力与各参数相关性散点图

图7. 单位面积参数相关性分析

机制讨论： 分子基础、调控逻辑与技术客观局限

1. 分子层面差异根源

RPE-1 高表达整合素 α3/α5/α6/β1/β5、黏着斑蛋白、踝蛋白等，可形成半桥粒强化基底连接；HEK293T 整合素整体表达偏低，黏着斑组装速度慢。

2. 黏附饱和调控逻辑

细胞铺展后期不再提升总黏附力，依靠调整黏着斑分布、细胞骨架张力平衡力学信号，避免过度刚性锚定，为上皮 - 间质转化保留力学可塑性。

3. 技术局限性客观说明

• FluidFM 单次仅测单细胞，批量统计效率有限；
• 投影铺展面积和真实基底接触面存在偏差；
• 细胞周期、探针流体环境会引入系统误差。

研究价值与应用前景

基础科研价值

• 突破性地用 FluidFM 完成 40h 超长时程单细胞黏附多参数定量，建立完整细胞黏附动力学量化体系；
• 直接证明细胞分化程度决定黏附动力学模式，为细胞力学 - 分化耦合提供定量证据。

预计应用方向

• 生物材料评价：量化材料表面细胞黏附强弱，优化组织工程支架、植入材料；
• 药物筛选：以黏附力 / 黏附能为生物物理指标，筛选调控细胞迁移、肿瘤侵袭的靶向药物；
• 交叉联用拓展：可搭配牵引力显微镜、布里渊显微镜、无标记光学生物传感器，构建力学 - 化学多维度单细胞检测平台。

研究总结

本研究利用FluidFM流体力显微镜单细胞力谱技术，实现活细胞长时程原位黏附力学检测，对比 hTERT RPE-1 与 HEK 293T 完整贴壁周期动力学：

✅ 高分化上皮细胞 RPE-1：1h 快速建立高强度黏附，具备动态力学调节能力；
✅ 低分化 HEK293T：4h 缓慢成熟，黏附强度低、调控模式保守稳定；
✅ 证实细胞铺展面积与黏附力解耦，存在 “黏附饱和” 适应性调控机制；
✅ FluidFM 为单细胞黏附研究提供高效、低损伤、宽量程的全新定量工具。

图8. 基于流体力显微镜的单细胞贴壁黏附动力学研究

清砥量子科学仪器（北京）有限公司提供完整单细胞力学研究解决方案
 
平台包含 FluidFM 多功能单细胞显微操作系统、光镊系统与布里渊显微镜三大核心设备，三者形成技术互补：

• 多功能单细胞显微操作系统- FluidFM OMNIUM：依托纳米中空探针，实现 nN‑μN 量程的单细胞力谱检测，可完成细胞抓取、挤压、粘附力测试，适配贴壁与悬浮细胞，兼顾力学测量与微流控单细胞操作。
• SENSOCELL 生物型光镊：具备fN‑pN测力灵敏度，以纯光学方式操控细胞与胞内组分，实现分子及亚细胞尺度的力学解析。
• 生物型布里渊显微镜-Discoverer：为无标记非接触检测手段，无需探针触碰样本，可原位获取类器官、3D 细胞球内部刚度分布信息。

整套方案覆盖从单分子、单细胞到三维组织样本的多维度力学生物学实验需求，可支撑细胞机械转导、肿瘤生物学、干细胞分化等方向科研工作。欢迎拨打电话：13671209710垂询。

相关产品：多功能单细胞显微操作系统FluidFM OMNIUM_报价/价格/性能参数/图, 瑞士/Cytosurge_生物器材网