肌肉細(xì)胞中的動(dòng)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(wú)創(chuàng)的電生理技術(shù)，但大多數(shù)機(jī)械傳感器無(wú)法無(wú)創(chuàng)進(jìn)入管腔結(jié)構(gòu)。

　　據(jù)此，斯坦福大學(xué)Jennifer A. Dionne教授團(tuán)隊(duì)引入了無(wú)毒的可攝取機(jī)械傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管腔力的定量研究，并將其用于研究活體草履蟲(chóng)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(lái)研究體外微測(cè)量器，結(jié)果表明，力會(huì)使發(fā)射的紅光和綠光的比例發(fā)生線性無(wú)滯后變化。通過(guò)熒光成像和無(wú)創(chuàng)電生理學(xué)研究，他們發(fā)現(xiàn)成年草履蟲(chóng)在進(jìn)食過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生 10 µN 左右的咬合力，而且咬合力產(chǎn)生的時(shí)間模式與進(jìn)食器官的肌肉活動(dòng)一致。此外，測(cè)量的咬合力與用于裂解蟲(chóng)體細(xì)菌食物的壓力范圍內(nèi)的赫茲接觸應(yīng)力一致。微型測(cè)量?jī)x有可能實(shí)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(guò)乳液聚合將UCNPs封裝在聚苯乙烯微球中，從而設(shè)計(jì)出微測(cè)量器。UCNPs利用其上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性(在機(jī)械應(yīng)力作用下會(huì)從綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色)來(lái)測(cè)量力的變化。合成過(guò)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(cè)量確保了與秀麗隱桿線蟲(chóng)進(jìn)食機(jī)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(huì)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(jì)考慮因素而言，尺寸(平均直徑：約935 nm)使微探針能夠模仿細(xì)菌食物顆粒，從而使線蟲(chóng)能夠被動(dòng)攝取。內(nèi)腔的堅(jiān)固性可確保在生物活動(dòng)中進(jìn)行精確的力測(cè)量。

　　草履蟲(chóng)攝取生物相容性微膠囊

　　緊接著，對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微量規(guī)與生物系統(tǒng)的功能整合。這些線蟲(chóng)的進(jìn)食機(jī)制由咽部有節(jié)奏的收縮驅(qū)動(dòng)，可作為測(cè)量管腔力的模型。微膠囊與細(xì)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(yùn)輸過(guò)程，顯示微膠囊與咽部泵的同步運(yùn)動(dòng)。此外，生物相容性實(shí)驗(yàn)表明未觀察到對(duì)攝食行為、運(yùn)動(dòng)或繁殖結(jié)果的不利影響。無(wú)論是否攝入微量規(guī)，咽部泵速都保持一致，證實(shí)了生理兼容性。明視場(chǎng)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(guò)程中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。咽電圖(EPG)顯示了與微規(guī)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的電活動(dòng)模式。圖2展示了實(shí)驗(yàn)裝置，包括攝入微規(guī)的假色UCL圖像和相應(yīng)的明視場(chǎng)視圖，以及突出顯示攝食過(guò)程中肌肉活動(dòng)的EPG記錄。

　　機(jī)械光學(xué)校準(zhǔn)

　　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(zhǔn)微量測(cè)量?jī)x的機(jī)械靈敏度。首先，校準(zhǔn)設(shè)置：激光掃描共聚焦顯微鏡結(jié)合原子力顯微鏡測(cè)量受控機(jī)械負(fù)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(zhǔn)數(shù)據(jù)證實(shí)在實(shí)驗(yàn)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(biāo)，靈敏度為 0.52%/µN。最后與靜水壓力比較：雖然力測(cè)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(shí)驗(yàn)中觀察到的壓力靈敏度趨勢(shì)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(jī)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(duì)活線蟲(chóng)攝食力的實(shí)時(shí)測(cè)量。將同時(shí)進(jìn)行的 EPG 記錄和 UCL 成像監(jiān)控進(jìn)食過(guò)程中的電氣和機(jī)械動(dòng)態(tài)。結(jié)果微測(cè)量?jī)x可直接測(cè)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(shí)間上與 EPG 信號(hào)一致，表明電和機(jī)械活動(dòng)同步。時(shí)間分辨率可捕捉單個(gè)進(jìn)食周期，包括收縮和放松階段。研究結(jié)果顯示：測(cè)量到的平均咬合力約為 15.7µN，相當(dāng)于足以使細(xì)菌溶解的壓力水平。不同個(gè)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(dòng)攝入兼容的生物相容性微型測(cè)量?jī)x的合成

　　圖2. 秀麗隱桿線蟲(chóng)攝入生物相容性微型計(jì)量器

　　圖3. 使用共焦 AFM 校準(zhǔn)光學(xué)機(jī)械靈敏度

　　圖4. 微型測(cè)量?jī)x能夠同時(shí)對(duì)活蠕蟲(chóng)的攝食力進(jìn)行電生理學(xué)和光學(xué)機(jī)械成像

　　總之，合成、校準(zhǔn)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(jī)械壓縮傳感器。已經(jīng)證明了它在量化秀麗隱桿線蟲(chóng)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(guò)度的有前途的模型系統(tǒng)。設(shè)想，這個(gè)平臺(tái)可以直接比較蠕蟲(chóng)的腔內(nèi)力產(chǎn)生與鈣通道突變體中收縮誘導(dǎo)動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間或頻率失調(diào)以及它們對(duì)藥物治療的反應(yīng)。該平臺(tái)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(duì)肌肉減少癥和健康壽命的影響。這個(gè)概念驗(yàn)證演示揭示了增加微量信號(hào)和降低噪音的幾種機(jī)會(huì)。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(zhǎng)時(shí)間成像期間產(chǎn)生不必要的加熱。改進(jìn)的聚合方法可以縮小傳感器尺寸和 UCNP 負(fù)載密度的分布，再加上連續(xù)的芯片內(nèi)進(jìn)料程序，將有助于消除蠕蟲(chóng)在其末端球狀體中循環(huán)粒子時(shí)吸收和發(fā)射橫截面的不一致。通過(guò)這些改進(jìn)，該檢測(cè)有可能直接且非侵入性地區(qū)分不同動(dòng)物群之間的腔內(nèi)收縮能力，并深入了解電控制和機(jī)械效能之間的相互作用。

　　參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)