肌肉細胞中的動作電位所產(chǎn)生的力使血液、食物和廢物穿梭于人體的管腔結(jié)構(gòu)中。雖然存在無創(chuàng)的電生理技術(shù)，但大多數(shù)機械傳感器無法無創(chuàng)進入管腔結(jié)構(gòu)。

　　據(jù)此，斯坦福大學(xué)Jennifer A. Dionne教授團隊引入了無毒的可攝取機械傳感器，以實現(xiàn)對管腔力的定量研究，并將其用于研究活體草履蟲的攝食情況。這些光學(xué) “微傳感器 "由嵌入上轉(zhuǎn)換 NaY0.8Yb0.18Er0.02F4@NaYF4 納米粒子的聚苯乙烯微球組成。將光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡結(jié)合起來研究體外微測量器，結(jié)果表明，力會使發(fā)射的紅光和綠光的比例發(fā)生線性無滯后變化。通過熒光成像和無創(chuàng)電生理學(xué)研究，他們發(fā)現(xiàn)成年草履蟲在進食過程中會產(chǎn)生 10 µN 左右的咬合力，而且咬合力產(chǎn)生的時間模式與進食器官的肌肉活動一致。此外，測量的咬合力與用于裂解蟲體細菌食物的壓力范圍內(nèi)的赫茲接觸應(yīng)力一致。微型測量儀有可能實現(xiàn)定量研究，調(diào)查神經(jīng)肌肉應(yīng)力如何受到該器官和其他腔內(nèi)器官的老化、基因突變和藥物治療的影響。

　　2025年1月1日，相關(guān)研究成果以題為“Upconverting microgauges reveal intraluminal force dynamics in vivo"發(fā)表在 Nature 上。Jason R. Casar為第一作者，Jennifer A. Dionne教授、Miriam B. Goodman教授、Jason R. Casar 為通訊作者。

　　合成與表征

　　通過乳液聚合將UCNPs封裝在聚苯乙烯微球中，從而設(shè)計出微測量器。UCNPs利用其上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性(在機械應(yīng)力作用下會從綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色)來測量力的變化。合成過程確保了高亮度、穩(wěn)定性和生物相容性。核@殼NaY0.8Yb0.18Er0.02F4@NaYF4納米粒子構(gòu)成了微規(guī)的功能元件。聚苯乙烯封裝可穩(wěn)定納米粒子，防止其在水環(huán)境中降解，并改善其光學(xué)特性。透射和掃描電子顯微鏡(TEM/SEM)顯示UCNPs在微球內(nèi)均勻分布。直徑測量確保了與秀麗隱桿線蟲進食機制的兼容性。在壓縮條件下，紅光(660 nm)和綠光(520+545 nm)的發(fā)射比會隨著外力的作用而發(fā)生相應(yīng)的變化。封裝可防止因水的干擾而熄滅發(fā)光。設(shè)計考慮因素而言，尺寸(平均直徑：約935 nm)使微探針能夠模仿細菌食物顆粒，從而使線蟲能夠被動攝取。內(nèi)腔的堅固性可確保在生物活動中進行精確的力測量。

　　草履蟲攝取生物相容性微膠囊

　　緊接著，對秀麗隱桿線蟲的實驗驗證了微量規(guī)與生物系統(tǒng)的功能整合。這些線蟲的進食機制由咽部有節(jié)奏的收縮驅(qū)動，可作為測量管腔力的模型。微膠囊與細菌食物一起被攝入，并在咽部末端球部積聚。光學(xué)成像可追蹤微膠囊的運輸過程，顯示微膠囊與咽部泵的同步運動。此外，生物相容性實驗表明未觀察到對攝食行為、運動或繁殖結(jié)果的不利影響。無論是否攝入微量規(guī)，咽部泵速都保持一致，證實了生理兼容性。明視場和上轉(zhuǎn)換發(fā)光(UCL)雙成像技術(shù)可捕捉到微規(guī)在攝食過程中的實時動態(tài)。咽電圖(EPG)顯示了與微規(guī)運動相關(guān)的電活動模式。圖2展示了實驗裝置，包括攝入微規(guī)的假色UCL圖像和相應(yīng)的明視場視圖，以及突出顯示攝食過程中肌肉活動的EPG記錄。

　　機械光學(xué)校準

　　使用共焦原子力顯微鏡將光學(xué)發(fā)射位移與已知壓縮力相關(guān)聯(lián)，從而校準微量測量儀的機械靈敏度。首先，校準設(shè)置：激光掃描共聚焦顯微鏡結(jié)合原子力顯微鏡測量受控機械負載下的 UCL 發(fā)射變化。從 0.4 到 15.2 µN 的力可引起紅綠發(fā)射比的線性變化。其次，力學(xué)和光學(xué)特性：校準數(shù)據(jù)證實在實驗力范圍內(nèi)不存在滯后和塑性變形。比率變化(Δ%IRed:IGreen)是力量化的可靠指標，靈敏度為 0.52%/µN。最后與靜水壓力比較：雖然力測量反映的是局部各向異性應(yīng)力，但數(shù)據(jù)與金剛石砧實驗中觀察到的壓力靈敏度趨勢一致。圖3 展示了共焦 AFM 設(shè)置、不同力下的 UCL 發(fā)射光譜以及力-發(fā)射關(guān)系的線性。

　　靈敏度電生理學(xué)和機械成像

　　最后，電生理學(xué)和光學(xué)成像技術(shù)的整合展示了對活線蟲攝食力的實時測量。將同時進行的 EPG 記錄和 UCL 成像監(jiān)控進食過程中的電氣和機械動態(tài)。結(jié)果微測量儀可直接測量咽部肌肉收縮引起的腔內(nèi)應(yīng)力。由 UCL 發(fā)射位移得出的力軌跡在時間上與 EPG 信號一致，表明電和機械活動同步。時間分辨率可捕捉單個進食周期，包括收縮和放松階段。研究結(jié)果顯示：測量到的平均咬合力約為 15.7µN，相當(dāng)于足以使細菌溶解的壓力水平。不同個體咬合力的變化突顯了攝食力學(xué)的生物異質(zhì)性。

　　圖1. 與被動攝入兼容的生物相容性微型測量儀的合成

　　圖2. 秀麗隱桿線蟲攝入生物相容性微型計量器

　　圖3. 使用共焦 AFM 校準光學(xué)機械靈敏度

　　圖4. 微型測量儀能夠同時對活蠕蟲的攝食力進行電生理學(xué)和光學(xué)機械成像

　　總之，合成、校準并在體內(nèi)部署了一種光學(xué)可讀的中空神經(jīng)肌肉器官腔內(nèi)機械壓縮傳感器。已經(jīng)證明了它在量化秀麗隱桿線蟲咽部泵送相關(guān)力方面的可行性，這是一種研究心律失常和收縮過度的有前途的模型系統(tǒng)。設(shè)想，這個平臺可以直接比較蠕蟲的腔內(nèi)力產(chǎn)生與鈣通道突變體中收縮誘導(dǎo)動作電位持續(xù)時間或頻率失調(diào)以及它們對藥物治療的反應(yīng)。該平臺還可以用作低通量肌肉質(zhì)量損失結(jié)構(gòu)分析的定量功能替代品，以加快研究熱量限制、衰老和藥物干預(yù)對肌肉減少癥和健康壽命的影響。這個概念驗證演示揭示了增加微量信號和降低噪音的幾種機會。使用環(huán)境 IRed:IGreen 比率較低的更亮材料(例如“摻雜"的 SrYb0.72Er0.28F5@SrLuF5)將提高綠色發(fā)射通道的信噪比，并能夠使用較低的激發(fā)功率密度，以避免在長時間成像期間產(chǎn)生不必要的加熱。改進的聚合方法可以縮小傳感器尺寸和 UCNP 負載密度的分布，再加上連續(xù)的芯片內(nèi)進料程序，將有助于消除蠕蟲在其末端球狀體中循環(huán)粒子時吸收和發(fā)射橫截面的不一致。通過這些改進，該檢測有可能直接且非侵入性地區(qū)分不同動物群之間的腔內(nèi)收縮能力，并深入了解電控制和機械效能之間的相互作用。

　　參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)