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肌肉细胞中的动作电位所产生的力使血液、食物和废物穿梭于人体的管腔结构中。虽然存在无创的电生理技术，但大多数机械传感器无法无创进入管腔结构。
据此，斯坦福大学Jennifer A. Dionne教授团队引入了无毒的可摄取机械传感器，以实现对管腔力的定量研究，并将其用于研究活体草履虫的摄食情况。这些光学 “微传感器 ”由嵌入上转换 NaY0.8Yb0.18Er0.02F4@NaYF4 纳米粒子的聚苯乙烯微球组成。将光学显微镜和原子力显微镜结合起来研究体外微测量器，结果表明，力会使发射的红光和绿光的比例发生线性无滞后变化。通过荧光成像和无创电生理学研究，他们发现成年草履虫在进食过程中会产生 10 µN 左右的咬合力，而且咬合力产生的时间模式与进食器官的肌肉活动一致。此外，测量的咬合力与用于裂解虫体细菌食物的压力范围内的赫兹接触应力一致。微型测量仪有可能实现定量研究，调查神经肌肉应力如何受到该器官和其他腔内器官的老化、基因突变和药物治疗的影响。
合成与表征
通过乳液聚合将UCNPs封装在聚苯乙烯微球中，从而设计出微测量器。UCNPs利用其独特的上转换发光特性（在机械应力作用下会从绿色转变为红色）来测量力的变化。合成过程确保了高亮度、稳定性和生物相容性。核@壳NaY0.8Yb0.18Er0.02F4@NaYF4纳米粒子构成了微规的功能元件。聚苯乙烯封装可稳定纳米粒子，防止其在水环境中降解，并改善其光学特性。透射和扫描电子显微镜（TEM/SEM）显示UCNPs在微球内均匀分布。直径测量确保了与秀丽隐杆线虫进食机制的兼容性。在压缩条件下，红光（660 nm）和绿光（520+545 nm）的发射比会随着外力的作用而发生相应的变化。封装可防止因水的干扰而熄灭发光。设计考虑因素而言，尺寸（平均直径：约935 nm）使微探针能够模仿细菌食物颗粒，从而使线虫能够被动摄取。内腔的坚固性可确保在生物活动中进行精确的力测量。
图1. 与被动摄入兼容的生物相容性微型测量仪的合成
草履虫摄取生物相容性微胶囊
紧接着，对秀丽隐杆线虫的实验验证了微量规与生物系统的功能整合。这些线虫的进食机制由咽部有节奏的收缩驱动，可作为测量管腔力的模型。微胶囊与细菌食物一起被摄入，并在咽部末端球部积聚。光学成像可追踪微胶囊的运输过程，显示微胶囊与咽部泵的同步运动。此外，生物相容性实验表明未观察到对摄食行为、运动或繁殖结果的不利影响。无论是否摄入微量规，咽部泵速都保持一致，证实了生理兼容性。明视场和上转换发光（UCL）双成像技术可捕捉到微规在摄食过程中的实时动态。咽电图（EPG）显示了与微规运动相关的电活动模式。图2展示了实验装置，包括摄入微规的假色UCL图像和相应的明视场视图，以及突出显示摄食过程中肌肉活动的EPG记录。
图2. 秀丽隐杆线虫摄入生物相容性微型计量器
机械光学校准
使用共焦原子力显微镜将光学发射位移与已知压缩力相关联，从而校准微量测量仪的机械灵敏度。首先，校准设置：激光扫描共聚焦显微镜结合原子力显微镜测量受控机械负载下的 UCL 发射变化。从 0.4 到 15.2 µN 的力可引起红绿发射比的线性变化。其次，力学和光学特性：校准数据证实在实验力范围内不存在滞后和塑性变形。比率变化（Δ%IRed:IGreen）是力量化的可靠指标，灵敏度为 0.52%/µN。最后与静水压力比较：虽然力测量反映的是局部各向异性应力，但数据与金刚石砧实验中观察到的压力灵敏度趋势一致。图3 展示了共焦 AFM 设置、不同力下的 UCL 发射光谱以及力-发射关系的线性。
图3. 使用共焦 AFM 校准光学机械灵敏度
电生理学和机械成像
最后，电生理学和光学成像技术的整合展示了对活线虫摄食力的实时测量。将同时进行的 EPG 记录和 UCL 成像监控进食过程中的电气和机械动态。结果微测量仪可直接测量咽部肌肉收缩引起的腔内应力。由 UCL 发射位移得出的力轨迹在时间上与 EPG 信号一致，表明电和机械活动同步。时间分辨率可捕捉单个进食周期，包括收缩和放松阶段。研究结果显示：测量到的平均咬合力约为 15.7µN，相当于足以使细菌溶解的压力水平。不同个体咬合力的变化突显了摄食力学的生物异质性。
图4. 微型测量仪能够同时对活蠕虫的摄食力进行电生理学和光学机械成像
总之，合成、校准并在体内部署了一种光学可读的中空神经肌肉器官腔内机械压缩传感器。已经证明了它在量化秀丽隐杆线虫咽部泵送相关力方面的可行性，这是一种研究心律失常和收缩过度的有前途的模型系统。设想，这个平台可以直接比较蠕虫的腔内力产生与钙通道突变体中收缩诱导动作电位持续时间或频率失调以及它们对药物治疗的反应。该平台还可以用作低通量肌肉质量损失结构分析的定量功能替代品，以加快研究热量限制、衰老和药物干预对肌肉减少症和健康寿命的影响。这个概念验证演示揭示了增加微量信号和降低噪音的几种机会。使用环境 IRed:IGreen 比率较低的更亮材料（例如“完全掺杂”的 SrYb0.72Er0.28F5@SrLuF5）将提高绿色发射通道的信噪比，并能够使用较低的激发功率密度，以避免在长时间成像期间产生不必要的加热。改进的聚合方法可以缩小传感器尺寸和 UCNP 负载密度的分布，再加上连续的芯片内进料程序，将有助于消除蠕虫在其末端球状体中循环粒子时吸收和发射横截面的不一致。通过这些改进，该检测有可能直接且非侵入性地区分不同动物群之间的腔内收缩能力，并深入了解电控制和机械效能之间的相互作用。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08331-x
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