11月14日，《Nature Communications》杂志在线发表了东南大学生物科学与医学工程学院顾忠泽教授课团队的一项最新研究成果，论文标题为“使用光子晶体对细胞力进行成像（Imaging cellular forces with photonic crystals）”。顾教授的团队成功开发了光子晶体细胞力显微镜(PCCFM)，该技术利用光子晶体基底的颜色变化可视化并使用配套算法定量检测垂直细胞力,实现了从亚细胞、细胞到组织等不同尺度的实时细胞力成像。该技术克服了现有细胞力量化成像技术在活细胞成像通量和多尺度分析方面的限制,可广泛应用于细胞力学相关的药物筛选以及组织发生和肿瘤发生机制的研究,为生物力学相关研究带来新的进展。
光子晶体是一类具有周期性纳米结构的材料,能够产生和周期相关的稳定的结构色。顾教授团队利用该特性,设计制备出一种新型的光子晶体基底,当细胞在该基底上施加作用力时,基底会发生形变从而使结构色发生改变。他们构建了PCCFM成像系统,通过记录光子晶体基底的颜色变化,实现对细胞施加的垂直作用力的定量检测。实验表明,PCCFM能够实现对细胞黏着斑的高分辨率成像;能够对肺腺癌细胞系、原代心肌细胞施加的垂直力进行高通量定量检测;能够对MDA-MB-231乳腺癌细胞及HEK293三维细胞簇对药物刺激的响应进行实时监测。此外,PCCFM还能够实现对心肌细胞单层在静止状态和搏动状态下的垂直力变化进行动态检测。进一步的,未来可集成在人体器官芯片模型中,实时监测药物对细胞力学的影响,更精准快速地评价药效和毒性。
光子晶体显微镜系统 (a)批量制备的光子晶体基底用于高通量筛选。(b)光子晶体生物力显微镜成像系统示意图。(c)高通量的同时对数十个细胞进行测量。虚线框中的同一MDCK细胞的光子晶体模态图(d)、明场(e)和肌动蛋白（红）、paxillin （绿）、细胞核（蓝）的荧光染色图(f)。沿（d）中箭头轨迹的垂直位移和应力的两条曲线在(g) 中显示。
东南大学博士生李奇维、东南大学陈早早副研究员、东南大学张英副研究员、东南大学丁双博士为论文的共同第一作者,东南大学顾忠泽教授为通讯作者。