深度学习图像识别辅助原子力显微镜单细胞力学特性精准高效探测

目的原子力显微镜(AFM)的出现为生命科学研究提供了强大工具,特别是AFM压痕实验技术已成为细胞力学特性探测的重要方法,从单细胞尺度为生理病理活动过程带来了大量新的认识,是对传统生化集群平均研究方法的有力补充。然而现有AFM压痕实验技术存在着依赖人工、效率低下等不足,严重制约了其在生命科学领域的实际应用。本文通过将光学显微成像自动目标识别技术与AFM压痕技术结合,建立了单个游离态细胞及聚团生长细胞的力学特性精准高效测量方法。方法利用YOLO深度学习算法识别出光学图像中细胞的中心部位,并通过嵌入视觉转换器(ViT)模块的双UNet神经网络模型对细胞边缘部位进行精确分割,同时采用模板匹配算法对光学图像中AFM微球探针进行定位,在此基础上自动确定AFM探针上的微球针尖与细胞不同部位之间的空间位置关系,进而对细胞中心部位和边缘部位的力学特性进行快速测量。选取HEK 293(人胚胎肾细胞)和HGC-27(人未分化胃癌细胞)两种细胞进行验证实验,并利用Hertz模型对获取的力曲线进行分析以得到细胞杨氏模量。结果在深度学习光学图像自动识别导引下可将AFM探针准确移动至细胞不同部位(中心和边缘)进行力学特性测量,同时实验结果表明,本文提出的方法不仅可对单个游离态细胞进行可靠测量,也适用于聚团生长的细胞。结论深度学习图像识别在辅助AFM单细胞力学特性精准高效探测方面具有巨大潜力,将深度学习图像识别与AFM结合有助于发展面向生物医学应用的高通量单细胞力学特性测量方法。

结合原子力显微镜和光学图像识别的单细胞力学特性快速测量研究

目的细胞力学特性在生理病理变化过程中起着关键调控作用,开展细胞力学特性研究为揭示生命活动奥秘及疾病发生发展演变规律提供了新的视角。原子力显微镜(AFM)的出现为单细胞力学特性研究提供了强大的技术手段。AFM的独特优势是不需要对活细胞进行任何预处理即可在溶液环境下对天然状态的活细胞力学特性进行高精度(纳米级空间分辨率,皮牛级力感知灵敏度)探测。基于AFM压痕实验的细胞力学特性探测已成为生命科学领域的重要研究方法。然而,现有基于AFM的单细胞力学特性测量主要依赖于人工操作,特别是在测量过程中需要人工控制AFM探针移动到细胞表面特定位置进行压痕实验,导致实验过程耗时费力且效率低下。本文通过将AFM与光学图像自动识别相结合建立了单细胞力学特性快速测量方法。方法分别利用UNet++深度学习网络模型和模板匹配算法识别出光学图像中的细胞及AFM探针,在此基础上自动确定细胞和AFM探针之间的空间位置关系,并控制AFM探针准确移动至目标细胞表面进行压痕实验。在光学显微镜视觉导引下利用AFM微操作将单个微球黏附至AFM探针悬臂梁制作得到球形针尖探针。选取HEK 293(人胚胎肾细胞)和MCF-7(人乳腺癌细胞)两种细胞进行实验。利用Hertz-Sneddon模型对在细胞表面获取的力曲线进行分析得到细胞杨氏模量。结果基于光学图像识别结果可将AFM探针针尖准确移动至目标细胞(HEK 293或MCF-7)并对细胞力学特性进行测量,同时实验结果表明本文所提出的方法不仅适用于常规AFM锥形针尖探针,也适用于AFM球形针尖探针。结论将AFM与光学图像识别结合显著提升了AFM细胞力学特性测量效率,为高通量自动化AFM单细胞力学特性探测提供了新的方法和思路,对于细胞力学特性研究具有广泛的积极意义。

基于原子力显微镜的溶液环境下单个天然状态病毒颗粒多参数成像及纳米力学特性分析

目的研究单个病毒颗粒的行为特性对于揭示调控病毒生命周期的内在机制、发展新型抗病毒治疗方法具有重要基础意义。原子力显微镜(AFM)的出现为高分辨率探测单个病毒颗粒的结构和力学特性提供了新的强大工具,极大地促进了物理病毒学的发展。然而,目前人们对于力学特性在病毒生命活动过程中调控作用的认知仍然很不足,特别是利用多参数AFM成像技术对病毒颗粒开展的研究还不多见。本文结合AFM多参数成像技术和压痕实验技术研究了溶液环境下化学刺激诱导的单个天然状态病毒颗粒结构及力学特性动态变化。方法通过在盖玻片基底表面覆盖一层多聚赖氨酸以将慢病毒颗粒吸附到基底,随后利用AFM直接在溶液环境下对天然状态的单个病毒颗粒进行探测。基于AFM峰值力轻敲(PFT)多参数成像模式,同时获取单个病毒颗粒的形貌结构及力学特性图。在AFM形貌图导引下控制AFM探针移动至单个病毒颗粒中央部位进行压痕实验以测量病毒力学特性。利用75%酒精溶液对病毒颗粒进行处理后,对病毒颗粒的形貌结构及力学特性变化情况进行观测。结果利用AFM在溶液环境下可对单个病毒颗粒的形貌及力学特性进行高质量成像表征,实验结果显示病毒颗粒在空气中和溶液中分别呈现不同的黏附特性和弹性特性。经过酒精处理后,病毒颗粒形状变得不规则,且病毒颗粒的杨氏模量显著增加,形变能力显著减弱。结论本文结果为研究溶液环境下单个天然状态病毒颗粒的结构和纳米力学特性提供了新的方法,对于病毒学研究具有广泛的基础意义。

原子力显微镜研究不同刺激条件下T细胞的形态和生物力学特性

T细胞的抗原识别和活化可以直接影响整个免疫应答的性质、效能和结果,在人体免疫反应中具有核心作用。细胞的形态结构和力学特性决定着细胞的功能的发挥。利用原子力显微镜(AFM)从纳米水平和皮牛顿量级探测分析静息的T细胞和不同刺激剂(超抗原SEA和植物凝集素PHA)活化的T细胞的形态结构和生物力学特性。研究发现静息的T细胞呈较为规则的圆形,细胞表面相对光滑均一,活化后细胞高度和体积明显增大,体积增大为静息T细胞的2~3倍,高度增加了约50%,这是T细胞经过刺激剂活化后增殖、分化而增大的表现。同时发现活化后的T细胞表面粗糙度增大,细胞表面形成100 nm^1μm颗粒状团簇结构。这种微纳结构域的形成与T细胞经过活化后细胞表面分子表达和细胞因子的分泌有关,并且与免疫突触的形成和功能发挥密切关联。经过PHA和SEA活化后的T细胞表面粘附力增大,是静息的T细胞的3-6倍,而细胞硬度明显减小,这种力学特性的变化有利于T细胞与病原体的相关作用从而清除病原体。通过AFM的研究,可以进一步的了解T淋巴细胞形态变化与细胞行为之间的关系,为更好地理解T细胞的结构与功能提供了更多可视化的依据。

基于原子力显微镜的细胞力学性质的表征、测量和应用

医学与工程技术的交叉融合,即医工融合,已日益成为驱动现代医学不断进步的关键推动力,正在对传统医学技术和方法产生深远影响,生物力学的发展壮大正是其重要体现形式之一。生物力学主要通过融合生物医学与力学原理方法,对生命过程中的运动与变形等力学因素及其作用进行定量研究,以更好地认识生命过程的规律,解决生命与健康领域的科学问题。细胞力学是生物力学向微观发展的前沿分支之一,聚焦于细胞以及亚细胞结构生物学特性与行为的定量力学原理与调控途径。而细胞的力学性质则是指其在承载、变形、蠕变、松弛、流变、应力-应变关系等方面的特性,本质上为细胞受内部结构成分、组织形式和外部微环境控制而对外部机械刺激产生响应的一种可测量特征的体现形式。

原子力显微镜在细胞与生物大分子超微结构和力学研究中的应用

作为微纳米科学理论与技术迅猛发展的代表,原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)在其25年的发展过程中极大地推进了生物学在微纳米尺度上的拓展,为微纳米生物学的诞生与发展提供了重要技术手段。本文在介绍AFM基本原理和检测模式的基础上,结合作者在该领域的研究成果和工作经验,从生物结构与形态学研究、表面物化性质表征、生物大分子的力学操纵三方面综述了AFM在细胞与生物大分子超微结构与生物力学特性研究中的具体应用,并重点探讨了AFM在细胞与生物大分子科学研究中亟待改进和解决的科学与技术问题,提出了一些探讨性的见解和建议。

超微生物力学测量中的原子力显微镜技术

原子力显微镜不仅可以在分子水平上对作用力进行测量,得到表面形状的图像,而且也可以用于高分子的解旋和空间构象的研究,此外也可研究样品表面的其他物理特性如压弹性、粘弹性特性的研究。文章首先阐明了微观力学表征的生物学意义,接着强调了原子力显微镜探针与样品间相互作用的类型及其在生物力学量测量中的原理和过程,之后分别介绍了原子力显微镜在细胞间黏附力、生物分子间相互作用、单分子力谱等方面的应用成果,最后结合原子力显微镜的应用现状对微观生物力的原子力显微镜深入研究进行了展望。

试样激励下轻敲模式原子力声显微镜的非线性动力学特性

利用Euler-Bernoulli梁理论和DMT针尖-样品作用力模型建立了试样激励下轻敲模式原子力声显微镜(AFAM)系统的动力学方程,并应用非线性动力学分析方法对AFAM微悬臂梁的振动特性进行研究。通过合理改变超声激励幅值、超声激励频率和针尖-样品初始间距等模型参数模拟得到微悬臂梁的超谐波、次谐波、准周期和混沌振动现象,采用时间序列、频谱、相空间、Poincare截面和Lyapunov指数等方法对不同非线性振动特性进行表征。通过分析不同模型参数条件下微悬臂梁针尖-样品作用力特性,探索了微悬臂梁不同非线性振动现象的产生机制。此外,研究了AFAM微悬臂梁运动的分岔特性,发现当超声激励幅值和针尖-样品初始间隙连续变化时,周期、准周期和混沌运动交替出现。研究结果对AFAM系统非线性动力学行为分析和混沌振动控制提供了理论参考。

原子力显微镜在生物医学研究中的应用进展

原子力显微镜(AFM)自诞生以来,以其纳米级别的空间分辨率和皮牛顿级别的力学灵敏度被广泛应用于生物医学领域。AFM技术通过对生物样本的表面形貌进行超微成像,以及生物样本的力学特性进行定量化分析,为临床疾病的诊治提供全新的理论依据和研究策略。本文综述了AFM的基本工作原理,以及AFM的表面成像和力谱技术在生物医学研究中的应用进展,并对AFM技术的发展进行了展望。

原子力显微镜在细胞力学特性研究中的进展

原子力显微镜(AFM)能够以高分辨率和高灵敏度实现液体环境下活细胞的操作和检测,利用AFM力曲线测量功能还可以获得细胞力学特性的相关信息。在简要介绍AFM力曲线测量原理的基础上,从细胞的杨氏模量、硬度和配体-受体之间相互作用力三个方面,详细阐述了近年来AFM在细胞力学特性研究中的发展状况,并着重介绍了其在细胞杨氏模量研究中的进展,表明AFM已经成为细胞力学特性研究中重要的生物显微技术。最后,针对AFM的不足及局限性,提出了目前存在的问题,并对AFM在细胞力学特性研究中的前景进行了展望。

原子力显微镜的生物力学实验方法和研究进展

作为微纳尺度的力学工具,原子力显微镜技术被越来越多地应用于生物力学实验研究,推动了该交叉学科领域的发展。利用多种测量模式与改进的探针,原子力显微镜可以在液体中对亚细胞、细胞、组织等多个尺度的生命物质进行力学测量,研究其在衰老、癌变等生命过程中力学性质的动态变化。本文综述了原子力显微镜的力学测量原理、生物力学的实验方法,以及在单细胞的整体与局部、液-液相分离液滴、上皮囊泡组织等力学测量中的应用,分析了复杂流体与微纳尺度流动对实验测量的影响,并对该领域的发展进行了展望。

原子力显微镜力谱技术及其在微观生物力学领域的应用

基于原子力显微镜技术的力谱技术是一种高灵敏度的力学检测方法.它能够以前所未有的精度,在微观生物力学领域表征组织、细胞、生物膜、蛋白质、核酸、功能材料等目标对象,探索其包括形貌、化学信息、导电性、静电力以及生物学特性在内的等信息,并且能够对其进行分子级别精度的三维操纵.从而对分子结构与构象变化,分子间的相互作用以及反应历程实现单分子水平的实时–原位观测,提供了其他测试方法不能完成的实验设计之可能性.本文首先介绍了原子力显微镜及其力谱技术的原理,以及影响测量结果的各个参数的物理意义;其次按照单个目标对象与配对目标对象的区分方式,详细介绍了力谱技术在微观生物力学各个尺度上的研究进展;之后介绍了力谱技术结合成像模式下的发展和应用;最后对设备的改进和本研究领域发展方向进行了展望.

基于原子力显微镜的溶液流动环境下癌细胞力学特性测量研究

目的细胞力学特性在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用,开展细胞力学特性研究对于揭示生命活动内在规律具有重要意义。原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞力学特性表征提供了新的强大工具,基于AFM压痕分析的细胞力学特性探测已成为生命科学领域的重要研究方法,为单细胞行为研究带来了大量新认识。然而,现有基于AFM的细胞力学特性研究主要集中在静态溶液环境,而癌细胞在体内转移过程中处于脉管系统的动态液流环境下,因此现有的测量结果无法完全反映溶液流动环境下的癌细胞真实生理行为,特别是目前对于肿瘤转移过程中液流环境与癌细胞之间相互作用的力学机制的认知还十分有限。本文通过将AFM与液流控制技术结合建立了溶液流动环境下的细胞力学特性测量方法。方法基于两侧开口培养皿并结合注射泵/抽取泵液流控制搭建细胞培养基动态液流系统,并将其分别与AFM及光学倒置显微镜进行集成。选取MCF-7(人乳腺癌细胞)和HGC-27(人未分化胃癌细胞)两种癌细胞进行实验。利用细胞培养基动态液流系统培养细胞并分析溶液流速以及流动时间对细胞生长及力学特性的影响。在光学显微镜导引下控制AFM对培养基静态/流动环境下生长的细胞进行压痕实验以获取力曲线,并利用Hertz-Sneddon模型对力曲线进行分析得到细胞杨氏模量。利用荧光染色试剂分析溶液流动环境对细胞活性及细胞骨架蛋白的影响。结果首先分析了溶液流动环境对细胞生长的影响,实验结果表明,与静态培养环境相比,培养基动态液流环境可更好地促进细胞生长。随后分别对静态和流动环境下生长的癌细胞力学特性进行了测量,结果表明当癌细胞生长环境由静态变为动态后细胞的杨氏模量显著减小,且溶液流动环境会导致细胞骨架结构的变化,显示了溶液流动环境对癌细胞力学特性的显著影响。结论将AFM与液流控制技术结合可对溶液流动环境下的单细胞力学特性进行探测,为研究溶液流动环境与癌细胞之间的相互作用提供了新的方法和思路。

新型原子力显微镜技术在细胞成像和力学测量方面的应用

在不同生理状态下,细胞的形态、弹性和黏附性等物化特性会发生改变,这些变化反映细胞复杂的生物学过程。原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)具有原子级成像分辨率和皮牛级力学分辨率,可以在近生理条件下对细胞进行高分辨形貌成像和力学性能测量,因此可以很好地用来研究细胞的上述物化特性。文章首先扼要介绍AFM的基本工作原理和基本工作模式,而后对传统AFM在细胞成像和力学测量相关物化性质方面的应用进行了简要总结,最后重点介绍了新型AFM技术在细胞成像和力学测量方面研究的最新进展。

用原子力显微镜研究阿莫西林对沙门氏菌和单核增生性李斯特菌的抗菌活性

目的:探测阿莫西林作用于沙门氏菌(G)和单核增生性李斯特菌(G^+)后2种菌体的形貌和生物力学特性的变化,探讨阿莫西林的抗菌活性和抗菌机理。方法:通过平板菌落计数法测细菌的失活率,利用原子力显微镜(AFM)对药物作用后细菌的表面形貌及细胞的硬度、粘附力做定性和定量分析。结果:平板菌落计数得,25μg/mL的阿莫西林作用1h后,沙门氏菌的失活率较李斯特菌的失活率大。AFM测量显示,与低浓度阿莫西林作用后,沙门细菌表面出现孔洞,而李斯特菌表面出现裂缝,力曲线测量显示,药物作用后针尖和细胞壁之间的粘附力明显增加,而杨氏模量(E)显著降低。结论:结合AFM图像可知形貌与生物力学特性的变化反映细胞壁的变化,细胞壁的成分由均一性变为异质性从而导致细菌的粘附力增加即F_(native)<F_(amoxicillin)药物作用破坏肽聚糖的交联和完整性使得肽聚糖断裂,使得杨氏模量降低即E_(native)>E_(amoxicillin)通过以上分析进一步探讨阿莫西林的杀菌机理和不同的细菌对阿莫西林的敏感程度。这些AFM数据为阿莫西林的临床应用提供可视化的数据支持。

原子力显微镜测量心肌细胞杨氏模量的研究现状

自原子力显微镜面世以来,已越来越广泛地被应用于各个领域的研究,尤其在细胞的微观领域有其独特的优势与价值。文中评述了近些年利用其测量表征细胞弹性的杨氏模量的方法和进展,并着重论述杨氏模量在心血管疾病中的应用研究。心肌细胞的杨氏模量不仅呈现随年龄的增长而增大的趋势,且与心血管的疾病有明显的相关关系。因此,测量心肌细胞的杨氏模量可以研究病变心肌细胞的物理改变,有助于了解心脏疾病,尤其是心衰及心梗的病理变化。

原子力显微镜技术在细胞研究中的进展

原子力显微镜(AFM)是生物显微技术的一个重要组成部分,可实现液体环境下活细胞高分辨率的成像与操作,为细胞生物学研究提供了新的方法。近年来,AFM已经逐渐发展成为集样品成像、力测量及操作等功能于一体的多功能生物细胞研究平台,在细胞研究中得到了广泛的应用。在简要介绍AFM组成与工作原理的基础上,详细阐述了近年来基于AFM成像与力谱技术的细胞研究的发展状况。针对AFM本身所存在的不足,介绍了AFM与其他技术相结合的研究成果,并对AFM在生物细胞研究中未来的发展方向进行了展望。

生物大分子超微结构研究中的原子力显微术

原子力显微镜作为第三代显微探测工具,具有原子级的空间分辨率,其样品制备方法简单易行,可在离体的近生理条件下直接观测生物样品及其动态变化过程,能够对样品进行力学操纵,在观察生物大分子的结构和生物力学特性上具有显著的优势。本文尝试从蛋白质、核酸、多糖的超微结构和力学特性的研究角度入手,期望向读者展现出原子力显微镜在大分子生物学研究中的应用前景。

单细胞结构与功能的原子力显微镜研究

首先强调了研究单细胞的生物学意义;介绍了原子力显微镜作为一种显微探测和操纵工具的主要特点及其在生命科学特别是在单细胞研究中的巨大优势。回顾了国内外有关AFM在单细胞表面形态与结构、活细胞的力学响应和生理过程的监控、细胞间粘附力的测量和肿瘤的科学诊断等研究中的应用情况;并结合自己在肿瘤细胞形态研究中的经验和体会对AFM在细胞研究中的深入研究进行了探讨。