細胞牽引力顯微鏡技術(shù)(traction force microscope, TFM)

細胞力學已從研究單個細胞力學性質(zhì)逐漸發(fā)展到關(guān)注細胞與細胞、細胞與基底的相互作用。了解

細胞如何產(chǎn)生和感知力，以及這些力如何轉(zhuǎn)化為生化信號，對于解決關(guān)于正常和病理狀態(tài)下細胞行為的基本問題至關(guān)重要。如何精確地測量細胞對外界施加的力同樣成為了生物力學研究中的關(guān)鍵問題。

細胞與外基質(zhì)相互作用產(chǎn)生的主動作用力叫牽引力，對其進行表征可以使用TFM，該技術(shù)主要是由測量細胞外彈性基質(zhì)的變形得到應變場，再通過反演算法重構(gòu)細胞所產(chǎn)生的牽引力。將為許多牽引力失衡所導致的疾?。ㄈ绨┌Y、組織纖維化、動脈粥樣硬化等）的機理探究、診斷與治療提供重要的理論支撐和檢測、治療依據(jù)。

TFM基本原理是將細胞培養(yǎng)在彈性模量已知且預先有熒光示蹤粒子標記的基底上，當細胞收縮時會牽引基底產(chǎn)生變形，細胞所施加的這種機械力與基底的變形符合彈性力學基本假設，利用激光共聚焦顯微鏡記錄熒光示蹤顆粒的位移變化，即可得到基底的彈性變形程度，最終通過反演算法就能得到細胞施加的牽引力數(shù)據(jù)。該技術(shù)對于研究微環(huán)境對細胞的貼壁、遷移、生長分化等生理學功能的影響有極大幫助。

由于熒光微珠分布隨機，常用的基底位移場的提取方法大致上可以分成兩類，分別是基于模式識別技術(shù)的熒光粒子位移跟蹤方法和數(shù)字圖像處理相關(guān)方法。

具體方法是利用模式識別技術(shù)對變形前后圖像中的熒光微珠的位置信息進行匹配，或計算變形前后圖像兩個子區(qū)域的互相關(guān)系數(shù)，對兩張圖像中的熒光微珠進行匹配，來獲得基底的位移場。對于圖形化彈性基底方法而言，由于基底表面的微凸臺陣列是呈周期性規(guī)律分布的，且凸臺的位移小于凸臺分布的空間周期，故無需復雜的圖像匹配算法，只需通過圖像處理計算基底受力前后兩張圖像中各凸臺的中心坐標，將相同凸臺受力前后的中心坐標做差，獲得各凸臺的位移矢量，即可完成基底位移場的提取。