定量检测生物微环境（如细胞内部）和复杂流体（如生物分子凝聚体）的力学响应有助于深入理解细胞分化与衰老机制，并加速药物研发进程。

西班牙光子科学研究所的神经光子学与机械系统生物学研究组使用impetux 免校准生物型光镊-SENSOCELL的时间共享光镊微流变技术（TimSOM），测定了生物材料随频率和时间变化的黏弹性特征，在秀丽隐杆线虫模型中，发现人类早衰症相关核膜蛋白的突变，会导致肠道细胞胞质随生物体衰老发生软化。文章发表于Nature Nanotechnology。

免校准生物型光镊-SENSOCELL

 
impetux 免校准生物型光镊-SENSOCELL的TimSOM技术通过将单束激光拆分为两个光阱，实现作用力与位移的同步测量，能够在横跨五个数量级的频率范围内，定量表征mPa至kPa量级的材料力学特性。该技术适用性广泛，可用于测量生物分子凝聚体的液-固相变，以及细胞胞内区室的复杂黏弹性等研究，实现对细胞内部及蛋白质混合物材料特性的快速表型分析，可广泛应用于生物医学领域及药物筛选。

人体内众多分子间的相互作用，会引发针对自身产生的力与外部力的复杂频率响应。这种粘弹性力学机制对多种生理和病理过程至关重要。最新研究表明，细胞及其组分对机械力响应方式的改变与癌症和神经退行性疾病存在关联。许多发生相分离的液态凝聚体其力学特性会随年龄增长产生变化，从液态向凝胶态或玻璃态的转变已被证实与多种神经退行性疾病密切相关。

目前已有的可用于表征细胞的流变特性的技术，无法在对活体系统内部施加作用力的同时测量这些力对细胞力学特性及机械信号转导的影响。基于光镊的主动微流变技术是探测生物内复杂流体力学特性的方法，可应用于活细胞细胞质、癌性球状体、活体动物及生物分子凝聚体（BMC）等研究场景。该方法通过观测悬浮于流体中的微粒在振荡光阱作用下的运动来实现力学特性表征。研究人员使用impetux Sensocell光镊的时间共享光镊微流变技术（TimSOM），（图1）通过单束时间共享激光生成两个光阱，一个用于进行主动振荡，另一个用于检测位移，系统研究了生物分子凝聚体（BMC）、细胞及模式生物的流变特性，探究了材料性质与形态发生、衰老及疾病之间的内在关联。

图1   采用直接光动量传感技术的TimSOM示意图

 
研究人员首先需要确认TimSOM方法是否能够精准反映粘弹性材料的力学性质，于是使用TimSOM对三种已知流变特性的材料进行了测试：水（图2a）及不同甘油混合物（图2b）的粘度值，与经典拖曳力测量结果（图2b）和已发表文献数据一致；采用蠕变柔量测量法（图2c(i)）与TimSOM技术（图2c(ii)）对同种聚丙烯酰胺（PAA）凝胶凝胶进行对比时，发现二者测得的频率依赖性剪切模量数值高度吻合，且部分与Kelvin–Voigt模型高度契合（图2c）；对新鲜制备且未固化的10:0.1聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚物/固化剂混合物中嵌入微球进行TimSOM测试（图2d），结果显示最符合分数阶麦克斯韦粘弹性凝胶模型。通过以上结果可以确认TimSOM方法能够精准测定粘弹性材料的力学特性。

图2   TimSOM能够精准测定已知粘弹性材料的力学特性

 
生物分子凝聚体（BMC）在细胞质组织结构中起着关键作用，其物质状态的改变直接影响健康与疾病进程。多种BMC的粘度会随老化发生显著变化。研究人员以MEC-2为研究对象，使用双光阱（图3a-d）与单光阱（图3e-h）两种方法测试，发现两种构型呈现相似的频率响应特性，且在液滴形成24小时后，交叉频率显著向低频方向移动（图3d, h）。这一现象表明，BMC的流变特性随老化发生系统性转变，其弛豫时间明显延长。

图3   BMC的粘弹性

 
为检测年龄如何影响细胞与组织的力学特性，研究人员应用TimSOM技术检测了秀丽隐杆线虫细胞的流变特性。为避免外源性的微球影响动物生理状态，研究人员开发了利用内源性脂滴作为机械应力探针的方法。通过验证以下关键特性：折射率（n）n=1.42高于周围细胞质（图4b）；直径约1 μm以实现最佳捕获刚度（图4c）；（3）具备足够刚度以实现对目标物的有效压痕（图4d），确定内源性脂滴完全适合作为流变学探针使用。

研究人员分别在年轻（第1天）与年老（第8天）成虫的肠上皮细胞质中实施TimSOM测量。线虫细胞质刚度约为斑马鱼细胞质的十倍，阻碍了在胞内移动脂滴以使用同一探针检测多个区室。年老个体中这种类固体特征显著减弱，表明细胞质粘弹性在衰老过程中发生流体化转变（图4e）。在导致核膜病与早衰表型的突变株中进行的TimSOM测试中，发现年轻成虫的lmn-1突变体细胞质粘度（图4g）显著下降至年老野生型水平，且在最高龄样本中未进一步变化，表明lmn-1缺陷能够导致细胞质流变学特性发生早衰性改变。

图4   秀丽隐杆线虫肠上皮组织的微流变性质

 
impetux Sensocell光镊的主动微流变学技术，针对微量样本进行了优化，能够大幅降低材料消耗、仪器复杂度和测量时间，显著提升实验通量。相较于现有基于双独立驱动-探测激光系统或正交偏振分光技术的主动微流变学方案，具有以下优势：采用单激光实现力与位置同步测量，避免了后端焦平面干涉测量系统中双光路与双探测器的对准难题，确保在整个光阱操作区域内保持恒定的校准状态，从而实现稳定的微流变学检测。

impetux Sensocell光镊具有的应用潜力，从简单粘性流体到粘弹性蛋白凝聚体的复杂响应，从活细胞内的多种细胞器到完整模式生物体内的力学特性，均可精准表征。

参考文献：
[1]. Català-Castro,   F., Ortiz-Vásquez, S., Martínez-Fernández, C., Pezzano, F., Garcia-Cabau, C., Fernández-Campo, M., ... & Krieg, M. (2025). Measuring   age-dependent viscoelasticity of organelles, cells and organisms with   time-shared optical tweezer microrheology. Nature Nanotechnology, 20(3),   411-420.
 
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