导读
本文探讨了原子力显微镜（AFM）在神经生物学研究中的重要作用及其在诊断神经系统疾病和中枢神经系统（CNS）肿瘤方面的新兴临床应用。AFM以其纳米级分辨率和皮牛级力敏感度著称，提供了对脑细胞和组织的生物力学特性及其在微环境中相互作用的突破性见解。本文综述了AFM在非临床环境中的应用，其中包括在实验模型中对神经系统疾病的分子、细胞和组织水平的特性研究。这包括离子通道分布的研究、遗传性疾病中神经元兴奋性的研究以及轴突对机械损伤的抵抗力。在临床背景下，AFM在通过脑脊液和血液等生物液体中的生物标志物特性来早期检测和监测神经退行性疾病（如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）和肌萎缩侧索硬化症（ALS））。利用AFM通过评估肿瘤的硬度来增强CNS肿瘤分级和治疗的方法，提供比传统组织病理学方法更详细的分析。尽管前景广阔，将AFM整合到临床实践中的也面临挑战，如样本异质性和数据分析的复杂性，并讨论了利用机器学习和神经网络来克服这些障碍的解决方案。多方面的进展，以及商业纳米技术平台，共同标志着个性化治疗策略在神经系统疾病的管理、治疗和诊断中新时代的到来。
图文摘要
01. AFM表征技术
表1
图1. AFM操作原理。a. AFM利用悬臂末端的尖锐探针在样品表面扫描，通过离散点的高度测量重建样品的地形；b, c. 用于表征生物样品的各种基于AFM的技术。显示了力-距离（FD）曲线的示意图；b. 探针压入样品直到达到定义的最大力（蓝色接近曲线），然后回缩（黑色回缩曲线）回到其静止位置。通过拟合接近曲线的斜率可以获得刚度值（斜率越陡刚度越高）。可以通过接近和回缩曲线之间的面积估算滞后或样品粘度；c. 粘附力（红点）可以从回缩曲线中提取。当AFM探针功能化为生物配体时，可以测量单个受体-配体的相互作用。
02.利用实验模型对神经系统疾病进行AFM表征
图2. 基于AFM的BK探针示意图。a. 示意图显示AFM探针的功能化过程，探针被修饰上BK抗体；b. 示意图显示功能化探针检测BK通道及在存在和不存在BK通道情况下获得的FD曲线。CM代表细胞膜；c. 在不同条件下观察到的代表性力-距离曲线；d. 显微图像和示意图显示使用功能化探针的AFM检测神经元上的BK通道；e. 代表性AFM热图显示在1 µm²区域内特定BK探针结合事件。颜色表示特定结合事件的测量力；f. 图表比较WT和KO神经元之间的解离力和BK通道密度。
图3. 轴突压缩实验模型 。a. (i) 一个珠子连接在AFM悬臂的尖端，用于逐渐压缩（亚纳牛力）平行通道中培养的DRG和海马轴突。轴突对压缩的响应受施加力的持续时间和大小的影响。释放压缩力后，有四种响应：(ii) 轴突恢复到原始状态，(iii) 轴突永久变形，(iv) 轴突进入退化过程，表现为局部轴突肿胀（FAS）增加，(v) 在严重情况下，轴突破裂。DRG轴突比海马轴突对压缩更具抵抗力；b. 以540 Pa的压力压缩10分钟后，DRG轴突完全恢复。然而，在更高压力下，整个轴突沿线出现FAS（箭头）；c. 单根海马轴突在65-550 Pa压力下压缩10-30分钟。以超过65 Pa的压力压缩10分钟后，轴突形状和线粒体运输未恢复。每个面板代表不同时间点的一个轴突，压缩前（*）、压缩期间和压缩后（**）。下方面板显示压缩前后轴突压缩区域的3倍放大。比例尺：10 µm。
图4. 神经元朝向软组织生长。a. 示意图描述了如何确定与RGC轴突生长方向（M）和局部视束（OT）曲率（C）垂直的脑组织刚度局部梯度；b. 轴突在体内更倾向于朝向组织较软的一侧生长。数据图显示M和C之间的关系；c. 同样的数据如（b）在条形图中表示。n：来自7只动物的测量次数；d-e. 模拟体内条件的刚度梯度上，单个轴突束生长的时间推移成像显示，在没有化学梯度的情况下，RGC轴突在体外更倾向于朝向基质较软的一侧生长。比例尺：20 μm；f. 在类似的刚度梯度（颜色）上培养的眼原基显示，轴突在图像的左半部分更顺时针生长，而在右半部分更逆时针生长，表明轴突更倾向于朝向基质较软的一侧转向。比例尺：200 μm；g. 单个轴突段取向的量化结果证实了它们更倾向于朝向基质较软的一侧转向。
03. AFM在神经系统疾病中的新兴临床应用
图5. 利用AFM评估神经发育障碍患者的临床样本。 a. 示意图展示了收集脑脊液并随后在液体细胞内将蛋白质纤维沉积在金基底上以进行AFM成像的过程；b. 相位对比AFM图像显示了三种不同构象的蛋白质纤维聚集物，其中平行（绿色）、切割（红色）或T-连接（蓝色）；c-e. 高分辨率AFM高度、相位和叠加图像显示了在AD患者的脑脊液中检测到的单个纤维的形态；f. 超长单个纤维的AFM高度图像；g. 统计图表，叠加了洛伦兹拟合，显示了红细胞（RBC）表面球状聚集物的平均高度（红色）和纤维状聚集物的平均高度（灰色）（右侧插图）；h. 示意图显示了随着患者年龄增加和认知能力降低，蛋白质聚集物在红细胞上的组装过程；i-j. PD患者和健康对照血清的代表性AFM图像显示了PD血清中广泛存在的聚集物；k-n. 健康个体（k）和PD（l）、ALS（m）和AD（n）患者的血小板的代表性AFM图像。
本文亮点
聚焦于AFM在神经生物学中对脑组织和细胞进行详细生物力学分析的独特能力。
探讨AFM在诊断神经退行性疾病和改进现有中枢神经系统肿瘤分级系统中的临床潜力。
解决AFM临床整合中的挑战并讨论潜在的解决方案。
END
点击原文链接或二维码查看全文
https://rdcu.be/dJJRJ
引用格式
She, D.T., Nai, M.H. & Lim, C.T. Atomic force microscopy in the characterization and clinical evaluation of neurological disorders: current and emerging technologies. Med-X 2, 8 (2024). https://doi.org/10.1007/s44258-024-00022-6
作者简介
徐大伟，新加坡国立大学医疗健康创新与科技研究院 (NUS iHealthtech) 研究员。研究范围涵盖癫痫，缺血性脑中风及乳腺癌。近年注重于Sirtuin-2在实验性中风模型中对炎症与细胞凋亡的作用，以及在抑制乳腺癌细胞扩散的可能。
Mui Hoon Nai，新加坡国立大学生物医学工程系高级研究员。在新加坡国立大学获得博士学位。她的研究利用原子力显微镜，在生理和病理条件下探索生物系统在细胞和组织水平的机械生物学，重点关注癌症和神经退行性疾病。
Chwee Teck Lim，新加坡国立大学特聘教授兼国家健康创新技术研究所所长。他也是新加坡健康技术联盟的创始主任。他共同撰写了超过490篇期刊文章，并发表了超过470次全会/主题演讲/特邀讲座。他是英国皇家学会、国际医学与生物工程联合会（IUPESM）、美国国家发明家科学院（NAI）、美国医学与生物工程学会（AIMBE）、国际医学与生物工程科学院（IAMBE）、东盟工程与技术科学院、新加坡工程院和新加坡国家科学学院的当选会士。他创立了六家初创公司。他及其团队获得了超过120项研究奖项，包括《自然》终身成就科学指导奖、高被引科学家、东盟杰出工程成就奖、亚洲科学家100、《华尔街日报》亚洲创新奖（金奖）、新加坡工程师学会杰出工程成就奖和总统科技奖等。
Med-X期刊公众号及网页二维码
Med-X期刊主页
https://www.springer.com/journal/44258
Med-X期刊Twitter
@MedXJournal
Med-X期刊投稿要求
https://www.springer.com/journal/44258/submission-guidelines
Med-X期刊中文简介
Med-X 期刊是由上海交通大学创办，Springer Nature出版的国际开放获取期刊。期刊旨在办成生物医学工程(BME)领域综合性的国际一流期刊，报道突破性新发现和新技术，搭建高水平学术交流和传播平台。2022年，Med-X期刊成功入选中国科技期刊“卓越行动计划”高起点新刊。Med-X 期刊由上海交通大学副校长、讲席教授徐学敏及美国加州大学洛杉矶分校生物工程系主任、校长讲席教授李松共同担任主编。上海交通大学生物医学工程学院讲席教授郑诚功、长聘教授童善保、美国密歇根大学Brian Fowlkes教授担任执行主编。Med-X期刊组建了一个高水平国际化的编委团队，由120多名来自16个国家的世界顶尖科学家组成。
Med-X 期刊发文聚焦生物医学工程领域，包括但不限于以下10个前沿专题：分子与细胞工程，生物材料与组织工程，药物、基因和细胞输送系统，免疫工程，生物力学与机械生物学，生物热科学与工程，生物医学仪器与生物传感器，医学机器人、人工智能和远程医疗，生物医学影像学，生物信息学和计算生物学等。
