应用 | 原子力显微镜‘摸’出细胞真相：科学家如何用纳米针尖改写生物学？

1. AFM的基本原理与技术特点 

AFM的核心组件包括微悬臂梁、探针、激光检测系统和压电扫描器（图1a）。探针通常由硅或氮化硅制成，尖端曲率半径从纳米级（如锥形探针）到微米级（如球形探针）不等。当探针在样品表面扫描时，悬臂梁的偏转通过激光反射到光电检测器上，实时转化为三维形貌图像（图1b）。通过力-距离曲线（Force-Distance Curve），AFM还可定量测量样品的力学性质（如弹性模量、粘弹性），为细胞和分子的生物物理特性研究提供关键数据（图1d-i）。

图1 | AFM测量结果。对于这些测量，使用sharp锥形AFM探针、半径750nm的锥形探针和球形探针半径为2500纳米的探针。a、电池测量示意图力学。采用几何形状明确的AFM探针进行缩进沿垂直z轴的单元格。b， AFM力曲线显示力F与单元格的垂直位置z的关系。典型的力曲线机械软和硬样品显示。c，平均弹性模量不同AFM探针在不同条件下(垂直缩进速度v和周围温度T)。误差条表示s.d.。d,f,h，尖锐锥形探针获得的原始AFM力数据（f与z）(d)钝锥球探头（半垂直角度，~22.5°）(f)球面探头(h), e,g,i，直方图和累积概率压痕深度为0 ~ 300 nm时弹性模量的分别对应于d f h。采用合适的模型每种AFM探针：Sneddon模型用于尖锐的锥形探针(e)，以及钝圆锥探头(g)和球形探头的赫兹模型样品温度和压痕速度如图所示直方图。对于锥形探针，在25°C下测量20和60个细胞压痕速度为6 μm - 1，压痕温度为37℃，压痕速度为2 μm s-1。对于球形探针，分别有30、10和20个细胞在37°C和2 μm - 1下，用750-nm半径的探头测量，在25°C和温度为37°C，温度为10 μm - 1，温度为2500nm -半径，温度为6 μm - 1半径分别为2500纳米的探针。

AFM的测量模式多样，包括接触模式、非接触模式和轻敲模式。接触模式适用于高硬度样品，但对软生物样本可能造成损伤；轻敲模式通过间歇性接触减少剪切力，更适合活细胞或生物大分子的成像。此外，动态力学分析（如频率扫描或蠕变测试）可进一步解析材料的粘弹性响应（图2c）。

图2 | 流变试验描述。a、不同的几何形状变形。为了测试材料的机械性能，我们可以拉伸或压缩它（左）或施加机械剪切应力（右）。在拉伸过程中，材料的变形是由拉力引起的力F垂直于样品表面。同样,压缩对应于由推动引起的变形（缩短）垂直于表面积的力。相比之下，剪切试验涉及平行（切向）施加力时发生的变形样品的表面。b，恒定或振荡施加应力。一个蠕变试验包括施加恒定应力（σ=F0/ a）一段时间并记录试样（左）的变形ε(t)。对于一个动态试验时，所施加的力发生振荡，从而产生振荡样品的变形（右）。c， a的材料回答的例子蠕变试验和动态试验分别为纯弹性材料、纯粘性材料流体，是一种粘弹性材料。T是振荡周期。

2. AFM在细胞力学研究中的应用

细胞力学是理解细胞功能（如迁移、分化和信号传导）的核心领域。AFM通过局部压痕实验（Indentation）直接测量细胞的弹性模量（Young's Modulus），揭示细胞骨架（如微丝、微管）的动态变化。例如，Wu等（2018）使用不同几何形状的AFM探针（锥形、半球形和球形）对MCF-7乳腺癌细胞的核区与胞质区进行压痕实验，发现弹性模量因探针尺寸和加载速率不同而变化高达10倍（图1c）。这种差异反映了细胞力学响应的空间异质性和时间依赖性。

AFM的高空间分辨率还允许研究亚细胞结构的力学特性。例如，细胞核通常比细胞质更硬（图1e），这与核纤层蛋白（Lamin A/C）的机械支撑作用密切相关。此外，AFM可用于监测病理状态下细胞力学的变化，如癌症细胞的转移能力常伴随细胞软化，这一现象在多种癌细胞系中均有报道（如MDA-MB-231乳腺癌细胞）。

3. AFM在分子相互作用研究中的突破

AFM不仅能成像单分子，还可通过单分子力谱（Single-Molecule Force Spectroscopy, SMFS）研究分子间作用力。例如，配体-受体结合力、DNA解链力或蛋白质折叠力的测量精度可达皮牛（pN）级。通过功能化探针（如修饰抗体或配体），AFM可特异性识别细胞膜表面的受体分布，并量化其结合动力学参数（如解离常数）。这种技术在免疫学（如T细胞受体与抗原的结合）和药物开发（如药物-靶点相互作用筛选）中具有重要价值。

4. AFM与其他技术的联用

AFM与荧光显微镜、拉曼光谱或电生理技术的联用进一步扩展了其应用范围。例如，AFM-荧光共聚焦联用可同时获取细胞力学特性与特定蛋白的定位信息；AFM-拉曼联用则能关联力学数据与化学成分分布。此外，微流控芯片与AFM的结合实现了高通量单细胞力学分析，为临床诊断（如循环肿瘤细胞检测）提供了新思路。

5. 挑战与未来方向

尽管AFM在生物学中应用广泛，其局限性仍需关注。例如，探针几何形状和加载速率的差异可能导致数据可比性降低（图1c）；活细胞测量中环境控制（如温度、pH）的复杂性也可能引入误差。未来发展方向包括： 

1. 标准化探针与实验流程：通过统一探针参数（如曲率半径、弹性系数）和加载条件，提高跨实验室数据的一致性。 

2. 动态力学表征：开发高速AFM技术，实时捕捉细胞力学响应的瞬态过程（如细胞迁移中的局部刚度变化）。 

3. 人工智能辅助分析：利用机器学习算法自动解析力-距离曲线，减少人为偏差并提高通量。

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参考文献

Wu, PH., Aroush, D.RB., Asnacios, A.et al. A comparison of methods to assess cell mechanical properties. Nat Methods 15, 491–498(2018). 
https://doi.org/10.1038/s41592-018-0015-1