CNS快讯 | 中科院在飞秒激光无掩膜光刻拓扑结构及细胞球浸润机制方面获进展

绿色荧光蛋白(GFP)是生命科学研究中一种非常重要的荧光蛋白,广泛地应用于多种重要蛋白质和分子的基因标记以及传感等;钱永健等人由于发现GFP于2008年获得了诺贝尔化学奖。一直以来,GFP被认为只能发出绿色荧光,并且这种荧光仅会被特有的蓝色激光在长时间照射时漂白。

王清月教授带领的天津大学超快激光团队,多年来从事飞秒激光与细胞生物学的交叉研究。在国家自然科学基金重点项目(项目批准号:60838004)等资助下,该团队的贺号副教授等人研究发现,利用飞秒激光进行单次短时间曝光就会让GFP漂白。这个现象涉及到多种细胞内复杂的离子过程,而这些离子过程又是飞秒激光可控的。实验首次实现了激光对钙存储调控钙通道(CRAC)的控制,并发现波长在GFP荧光激发带中的激光都可以实现CFP荧光向红光的转换,而且其转换速度可以用飞秒激光触发的细胞内氧化性增强来调节。这些结果对于定量调节细胞内的分子过程,分析细胞应激活动,以及非线性成像等研究有重要价值。相关论文“Manipulation of cellular light from green fluorescent proteinby a femtosecond laser”发表在 Nature Potonics ( Vol.6，October 2012,651. www.nature.com/ naturephotonics) ,并被Nature Potonics在同期发表的文章予以全面介绍和评论。

随着组织工程领域的发展，生物材料界面与细胞的相互作用及物理机制成为研究热点。生物界面的拓扑形貌可以有效调控细胞行为并影响细胞功能。而体内的一些生理过程如胚胎发育、免疫应答和组织更新与重塑等往往涉及多细胞的集体行为。肿瘤的侵袭和转移也与集体细胞的协调运动有关。

细胞球作为一种体外三维细胞培养模型，具有强烈的细胞-细胞相互作用，可在细胞生理学、信号通路、基因和蛋白表达以及气体/营养物质梯度等方面更好地模拟体内环境。因此，明确材料表面拓扑结构与细胞球的相互作用对探究体内生理、病理机制具有重要意义。然而，当前同时具有厘米级尺度和微纳米精度的跨尺度微纳拓扑结构尚难以快速制备。

近日，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室研究员郑美玲团队在跨尺度微纳拓扑结构制备及细胞球浸润性调控方面取得了新进展。该团队提出采用飞秒激光无掩膜投影光刻技术（MOPL）制备大面积兼具高精度的微盘阵列拓扑结构以研究细胞球的浸润性。

该研究发现细胞球在多种不同单元直径的微盘阵列拓扑结构上展示出不同的浸润速度。研究通过分析细胞形态、骨架分布和细胞黏附，解析了细胞球浸润速度的变化机制，并发现了细胞球在大尺寸和小尺寸的微盘结构单元上采取不同的浸润模式。该研究揭示了细胞球对跨尺度微纳拓扑结构的响应机制，为探讨组织浸润行为提供了参考。

MOPL是一种高效率且能灵活化地制备微纳拓扑结构的技术。考虑到单个细胞的尺寸以及细胞球浸润过程中与大面积拓扑结构的相互作用，该工作利用MOPL技术制备了高度低于1μm，且拓扑单元直径分别为2、5、20和50 μm的大面积（8 mm × 10 mm）微盘阵列结构（图1）。

该研究采用超低吸附法制备了大小均一的人肾透明细胞癌细胞的细胞球。进一步，科研人员利用激光扫描共聚焦荧光显微镜对细胞球在微盘阵列拓扑结构上的动态浸润行为进行观察。细胞球在一系列微盘阵列拓扑结构上发生了完全浸润并展现出不同的浸润面积。结合细胞球铺展理论，通过量化不同时间点的细胞球浸润面积，研究发现细胞球的浸润速度在2、5、50和20 μm直径的微盘结构单元上依次减小，且细胞球在直径为20 μm的微盘结构单元上具有较小的细胞-基底黏附能（图2）。

进一步地，研究人员利用免疫荧光染色分析了多种不同微盘结构上的细胞形态、肌动蛋白和黏着斑分布，提出了细胞球在直径2μm和5 μm的小尺寸的微盘结构上采取攀爬模式浸润，以及在直径20μm和50 μm的较大尺寸的微盘结构上采取绕行模式浸润（图3）。细胞球的浸润过程表现为一种多细胞的集体协调运动。

该研究揭示了细胞球在各向同性微盘阵列拓扑结构表面的浸润机制，深化了对于细胞球与界面拓扑结构相互作用的认知。

来源： 中国科学院理化技术研究所

转自：“威斯腾生命科学研究院”微信公众号

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