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本文综述高速原子力显微镜（HS-AFM）在解析核孔复合体（NPCs）与染色质动态互作中的关键作用，涵盖 NPCs 结构功能、与基因组守护者的相互作用、在疾病（如癌症、病毒感染）中的动态异常，以及 HS-AFM 技术的未来发展方向。
高速原子力显微镜（HS-AFM）技术革新与生物医学应用
原子力显微镜（AFM）自真空环境应用起源，凭借纳米级分辨率及无需染色、可在液体环境成像的特性，成为生物样本表面结构研究的重要工具。传统 AFM 成像速度较慢（约 30 秒 / 帧），难以捕捉动态生物过程，而高速原子力显微镜（HS-AFM）通过采用小而快的低刚度悬臂、精密激光检测及高速反馈系统，将时间分辨率提升至毫秒级（最快 100 毫秒 / 帧），可实时观察生物分子动态行为，且对样本损伤极小。
HS-AFM 在生物医学领域应用广泛，可研究跨膜蛋白与细胞膜的实时相互作用、细胞骨架结构动态、核酸与结合蛋白的作用机制，甚至能观察病毒蛋白对接、细胞凋亡过程中核孔复合体（NPCs）的结构变化等。与传统成像技术相比，HS-AFM 无需固定样本，能在近生理条件下提供动态信息，弥补了透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）等技术在动态观察方面的不足。
核孔复合体（NPCs）的结构与动态研究
核孔复合体是核质运输的关键分子通道，结构类似多层蜘蛛网，由核孔蛋白（Nups）组成，包括维持结构的支架 Nups 和形成选择性屏障的 FG（苯丙氨酸 - 甘氨酸）富集 Nups。其功能不仅限于物质运输，还涉及细胞周期调控、基因表达、DNA 修复、表观遗传调控等，与癌症、病毒感染、神经退行性疾病等密切相关。
传统成像技术难以捕捉 NPCs 的动态变化，而 HS-AFM 通过实时观察发现，NPCs 中的 FG-Nups 呈高度动态 “蜘蛛网” 状，通过伸展、收缩及形成瞬时结来调节物质运输。在结直肠癌（CRC）细胞中，FG-Nups 丝变得紊乱、粗厚，结形成增多，导致 NPCs 弹性下降，运输功能受损。细胞凋亡过程中，NPCs 结构崩溃，FG-Nups 屏障瓦解，表现为孔径缩小、丝缠绕加剧、灵活性丧失。
HS-AFM 还揭示了病毒与 NPCs 的相互作用机制。例如，新冠病毒（SARS-CoV-2）的 ORF6 蛋白通过疏水作用自组装形成圆形或线性原纤维，隔离核孔蛋白 Rae1 和 Nup98，抑制 mRNA 输出，干扰宿主免疫反应。其淀粉样特性可能导致细胞功能障碍，与 COVID-19 患者的并发症相关。
染色质与核小体的动态研究
染色质组织对基因组完整性和基因表达调控至关重要，HS-AFM 为染色质动态研究提供了新视角。核小体作为染色质基本单位，由 DNA 缠绕组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）构成。
研究发现，组蛋白 H2A 与 DNA 的相互作用呈现类似 “尺蠖” 的动态缠绕运动，且受成像底物影响显著。组蛋白变体 H2A.Z 核小体可在 DNA 上自发滑动，暴露调控序列，其不稳定性高于经典 H2A 核小体，这一特性可能与基因转录激活相关。着丝粒核小体研究显示，CENP-A 核小体比 H3 核小体更稳定，有助于维持有丝分裂中着丝粒的结构完整性。
在精子染色质浓缩过程中，鱼精蛋白（PRMs）替代组蛋白与 DNA 结合，HS-AFM 实时观察到 PRM 诱导 DNA 逐步折叠，经历螺旋、杆状中间体，最终形成环形纳米结构，据此提出 “CARD 模型”（螺旋 - 组装 - 杆 - 环形）。雌激素受体 α（ERα）与 DNA 的结合研究则发现，配体（雌激素）可诱导 ERα 二聚化，增强其与 DNA 结合的准确性和稳定性，提出 “配体诱导二聚化（LID）模型”，为癌症激素治疗提供了新机制解析。
HS-AFM 技术挑战与未来方向
尽管 HS-AFM 已取得显著进展，仍存在诸多挑战。其成像深度有限，主要适用于表面结构，难以研究核内深层染色质；样本制备复杂，需精细固定；存在针尖诱导假象风险；扫描范围小，不利于大结构分析；设备昂贵且需专业操作。
未来发展方向包括：提升时间分辨率，利用人工智能（AI）动态调整扫描速率以捕捉超快分子事件；结合超分辨率荧光显微镜，实现功能成像与结构分析的关联；开发三维 HS-AFM，探索染色质的立体组织；实现活细胞非侵入性长期成像，保留生理环境下的动态真实性；借助 AI 驱动的高通量数据分析，自动识别疾病相关结构异常。此外，HS-AFM 与冷冻电镜断层扫描、单分子追踪等技术的结合，将推动核孔与染色质动态研究向多尺度、多维度发展，为癌症、病毒感染、神经退行性疾病等的诊断与治疗提供新策略。
结论
HS-AFM 通过实时、高分辨率成像，革新了核孔复合体与染色质动态研究，揭示了核质运输、基因调控及病毒感染等过程的分子机制。随着技术的不断进步，其在生物医学领域的应用前景广阔，有望为疾病机制解析与精准医疗提供关键工具和理论依据。
