褚智勤：一种测量细胞旋转运动的突破性技术

香港大学的工程专家提出了一种测量细胞牵引力场的新技术，以解决这一研究空白。该跨学科研究小组由电机与电子工程系的褚志勤博士和机械工程系的林元博士领导。他们利用纳米金刚石(NDs)中的单氮空位(NV)中心提出了一种线性极化调制(LPM)方法，该方法可以测量细胞基质上标记物的旋转和平移运动。

　　

   

   

林源博士和褚智勤博士      图片来源:香港大学

力学在细胞生物学中起着基础性的作用。细胞通过这些机械力来探索周围的环境，并感知周围活细胞的行为。细胞所处环境的物理特性反过来又会影响细胞的功能。因此，了解细胞如何与环境相互作用为细胞生物学提供了重要的见解，并在医学上具有广泛的意义，包括疾病诊断和癌症治疗。

到目前为止，研究人员已经开发了许多工具来研究细胞和它们的3D微环境之间的相互作用。其中最流行的技术是牵引力显微镜(TFM)。它是确定细胞基质表面牵引力的主要方法，为细胞如何感知、适应和响应力提供了重要信息。然而，TFM的应用仅限于提供细胞基质上标记物翻译运动的信息。关于其他自由度的信息，如旋转运动，由于技术限制和对该主题的研究有限，仍然是推测性的。

香港大学的工程专家提出了一种测量细胞牵引力场的新技术，以解决这一研究空白。该跨学科研究小组由电机与电子工程系的褚智勤博士和机械工程系的林源博士领导。他们利用纳米金刚石(NDs)中的单氮空位(NV)中心提出了一种线性极化调制(LPM)方法，该方法可以测量细胞基质上标记物的旋转和平移运动。

该研究为细胞多维牵引力场的测量提供了一个新的视角，研究结果已在纳米快报期刊上发表，被作为杂志的补充封面。

该研究显示了细胞基质表面标记的旋转和平移运动的高精度测量。实验结果证实了理论计算和前人的研究结果。

具有NV中心的NDs具有超高的光稳定性、良好的生物相容性和方便的表面化学修饰，是许多生物应用的优良荧光标记物。研究人员发现，基于单个NV中心的荧光强度与方向对激光偏振方向的关系的测量结果，可以实现高精度的方向测量和无背景成像。

因此，该团队发明的LPM方法有助于解决机械生物学中细胞力测量的技术瓶颈，它包含了来自生物学、工程学、化学和物理学的跨学科合作。

“多细胞生物中的大多数细胞都经历着在空间和时间上高度协调的力量。多维细胞牵引力场显微镜的发展一直是该领域最大的挑战之一。”褚智勤教授说。

“与传统的TFM相比，这项新技术为我们研究真正的3D细胞-细胞外基质相互作用提供了一种新的和方便的工具。它有助于实现细胞牵引力领域的旋转-平移运动测量，并揭示有关细胞牵引力的信息，”他补充说。

该研究的主要亮点是能够高精度地表示标记的平移和旋转运动。这是在分析细胞-基质界面的力学相互作用方面迈出的一大步。它还提供了新的研究途径。

通过细胞表面的特殊化学物质，细胞相互作用和连接，这是细胞粘附过程的一部分。细胞在粘附过程中产生张力的方式主要描述为“平面”。牵引应力、肌动蛋白流动和黏附生长等过程都是相互联系的，并表现出复杂的方向性动态。LPM方法可以帮助理解围绕着焦点粘连的复杂力矩，并在纳米级水平上分离不同的机械负载(例如，正常牵引力、剪切力)。这也有助于理解细胞粘附如何对不同类型的应力作出反应，以及这些如何介导机械转导(细胞将机械刺激转化为电化学活性的机制)。

这项技术也有望用于研究其他各种生物力学过程，包括免疫细胞激活、组织形成和癌细胞的复制和入侵。例如，在对癌症的免疫反应中起核心作用的t细胞受体可以产生对组织生长极为重要的动态力量。这种高精度LPM技术可能有助于分析这些多维力动力学，并为组织发育提供见解。

该研究团队正在积极研究方法，以扩大光学成像能力，并同时绘制多个纳米钻石。

原文标题：

All-Optical Modulation of Single Defects in Nanodiamonds: Revealing Rotational and Translational Motions in Cell Traction Force Fields

作者简介：

褚智勤

Dr. Chu joined The University of Hong Kong as an Assistant Professor in Department of Electrical and Electronic Engineering (Joint Appointment with School of Biomedical Sciences). In this talk, he will highlight his recent work on the development of diamond based hybrid nanosensor through NV spin relaxometry, being capable of monitoring various physical quantizes in physiological conditions. Due to the uniquequantum features of NV centers in diamond, he will discuss their possibilities for a number of exciting applications in biomedical science ranging from measurements of cellular temperature, pH, mechanical forces to proteins and biominerals.

Dr. Chu received the Chen Ning Yang Scholarship from The Chinese University of Hong Kong in 2012, and also The Finalist of Hong Kong Young Scientist Awards (under physics track) from The Hong Kong Institution of Science in 2013.