基因编码生物力学荧光探针的开发及应用

目的越来越多生物力学研究开始关注分子及细胞层面力学刺激对细胞的调控作用,但测量细胞和分子层面机械力的工具尚不便捷。本研究旨在开发一种基因编码生物力学荧光探针(genetically-encoded bio-mechanic indicator,GEBMI),以实现细胞间力学动态的实时测量,并应用于检测心肌细胞力-钙耦合关系,细胞间接触面与细胞间作用力关系等研究。方法利用荧光蛋白二聚增强发光原理,设计并优化了GEBMI工具,该工具可将一种改造后的荧光蛋白表达在细胞膜外侧,用以检测细胞间挤压力大小。进行了一系列实验验证GEBMI工具的上膜效率以及荧光强度变化与受力大小的关系。在HEK 293细胞中,利用GEBMI分析了细胞间接触面与细胞间作用力的关系;设计了低渗实验以诱导细胞膨胀相互挤压,观察刺激前后接触面的荧光强度变化。最后,将GEBMI应用于心肌细胞中,分析了GEBMI信号与细胞收缩信号及钙信号之间的关系。结果GEBMI荧光蛋白表达在胞外且上膜效率良好,荧光强度与受力大小呈正相关。在心肌细胞中,GEBMI表现出极高的时空精度,其荧光强度变化与收缩信号变化一致。结论本研究开发了一种GEBMI工具用于实时测量细胞间力学动态变化,结果表明GEBMI在细胞力学研究中具有巨大潜力,并为未来的改进和优化提供了方向。