东南大学顾忠泽团队在《Science Advances》发表最新研究论文
近日，东南大学顾忠泽团队在《Science Advances》发表题为“Photonic-crystal hydraulic manometry quantifies epithelial basal compression for rapid, label-free functional screening”的研究论文（DOI：10.1126/sciadv.aeg7095）。该研究发现极化上皮可在细胞–基底界面维持约3 kPa的基底压缩，并将这一新的力学生理状态转化为可用于病毒感染与中和效应快速检测的无标记功能指标。
极化上皮兼具屏障、定向离子–水转运和细胞骨架力学调控等多重功能，但目前能够实时、规模化表征这些功能耦合状态的检测方法仍较为缺乏。本文提出光子晶体液压测压法（photonic-crystal hydraulic manometry, PCHM），可在常规细胞培养体系中通过单帧反射成像，定量解析细胞–基底界面的面外力学状态。利用PCHM，我们首次发现成熟上皮单层能够在细胞–基底界面持续维持约3 kPa的基底压缩状态。进一步研究表明，这一现象并非单纯来源于传统意义上的细胞机械挤压，而是上皮离子–水转运、细胞骨架预应力及细胞–基底黏附等过程共同作用的结果，因此我们将其定义为“转运驱动的基底压缩（transport-coupled basal compression）”。通过对渗透压，转运和肌动蛋白–肌球蛋白收缩功能进行系统扰动，我们进一步界定了该力学读出的灵敏度、动态范围和可逆性，表明基底压缩可作为反映上皮生理功能的一项可定量、可动态调控的状态变量（图1）。
图1. transport-coupled basal compression的发现、验证和机制
基于这一与上皮生理功能紧密相关的力学指标，进一步探索了PCHM在快速功能检测中的应用。在柯萨奇病毒感染后约2 h内即可观察到基底压缩快速减弱，而此时上皮连接结构尚未发生明显破坏，这一变化显著早于约48 h后才出现的可见细胞病变效应。 在SARS-CoV-2假病毒中和实验中，PCHM在2 h内即可获得与48 h荧光素酶检测相一致的结果；在病毒滴度测定中，与48 h荧光素酶终点检测相比，PCHM在2 h就能完成，同时将灵敏度提高了一个数量级（图2）。
图2.基于transport-coupled basal compression的快速病毒检测示意图
综上，PCHM建立了上皮转运功能与界面力学状态之间的定量关联，并将转运驱动的基底压缩转化为一种可用于上皮功能表征和早期功能异常检测的力学状态变量，为上皮病理生理研究、药物与治疗筛选以及快速病毒功能检测提供了一种可扩展、无标记的检测框架。
东南大学器官芯片研究院院长、数字医学工程全国重点实验室主任、生物科学与医学工程学院教授顾忠泽为论文的通讯作者；团队成员付一夫博士、李奇维博士、蔡雨含博士和陈早早教授为共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金和江苏省自然科学基金等项目的资助。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg7095